Остаточные напряжения и деформации

В процессе изготовления машиностроительных конструкций в них возникают остаточные напряжения, которые снижают срок эксплуатации конструкции и могут привести к преждевременному выходу из строя. Операция снижения остаточных напряжений является одной из наиболее трудновыполнимых и требует больших материальных затрат. В инженерной практике применяют многочисленные способы уменьшения напряжений, непрерывно совершенствуют и разрабатывают новые методы. Один из таких методов - вибрационный метод снятия остаточных напряжений и деформаций, основанный на обработке изделий в резонансном режиме, переменными напряжениями, достаточными для упругопластических деформаций металла. В отличие от других методов, высокая эффективность и экономичность вибрационного старения обеспечивается независимо от марки конструкционного материала. По производительности и простоте процесса вибрационное нагружение в большинстве случаев имеет преимущества перед другими методами и соответствует основным требованиям, предъявляемым к применяющимся в практике средствамI снижения напряжений. К сожалению, применение этого метода сильно ограничивается недостаточной изученностью процессов, происходящих в материале в процессе виброобработки. Остаются неопределенными оптимальные условия закрепления, точка приложения и величин; возмущающей силы, время обработки изделий. Сегодня эти вопросы решаются на основании экспериментальных исследований, что зависит от личного опыта экспериментатора, при ошибках которого обработка оказывается недостаточно эффективной и часто приводит к негативному результату (образование трещин, разрушения конструкций). Поэтому разработка надежных расчетных методов для выбора рациональных параметров вибрационных изделий является актуальной и практически важной научно — технической проблемой, решение которой позволит повысить технико-экономические показатели процесса вибрационного старения создать эффективные технологии и оборудование для вибрационной обработки.

Задание на ККР В качестве объекта исследования по оценке возможных сварочных деформаций выбрана конструкция средней сложности: сварная двутавровая балка с ребрами жесткости (рис. 1). Двутавровая балка сделана из стали 09Г2, имеет длину 4000 мм, толщину стенок и полок 8 мм, Количество пар ребер 3. Способ сварки ручная дуговая сварка РДС, высота балки составляет 400 мм, ширина верхней полки 400 мм, нижней полки 500 мм.

а)

б)

Рисунок 1 — Двутавровая балка двутавр балка сварка

1. Прогиб от продольных швов

Суммарный прогиб от продольных швов будет равен (с учетом знака):

где где - эксцентриситеты приложения усадочных сил; I_x - момент инерции сечения двутавровой балки.

у_с будет равен:

где — статические момент каждой фигуры, - площадь каждой фигуры.

Площадь фигуры равна:

F = d•b (3)

Подставим в уравнение (3) данные из задания получим:

F₁ = 40×1,4 = 32 см² (4)

F₂ = 38,4×1,4 = 31 см² (5)

F₃ = 50×1,4 = 40 см² (6)

Статический момент для каждой фигуры будет равен:

S_x = F•a (7)

Подставим значения (4), (5), (6) соответственно в уравнение (7) получим:

Подставим уравнения (4), (5), (6), (8), (9) и (10) в уравнение (2) получим:

Момент инерции сечения двутавровой балки будет равен:

Момент инерции каждой фигуры будет равен:

Подставим значения из уравнений (4), (5), (6) соответственно и значения из задания в уравнение (13) получим:

Подставим (14), (15) и (16) в уравнение (12) получим:

Определяем по формуле:

где S_pacч - расчетная толщина соединения при сварке (S_расч =1,5 см), q — эффективная тепловая мощность дуги Дж/сек, х — скорость сварки см/сек.

где — экспериментальный коэффициент наплавки для сварки РДС; - площадь наплавки.

Площадь наплавки равна:

где — катет углового шва (=8 мм).

Подставим значение катета углового шва в уравнение (20) получим:

Подставим (21) и значение экспериментально коэффициента в (19) получим:

Подставив (22) и расчетную толщину в уравнение (18) найдем:

Найдем усадочную силу к верхней полки

где <�г_т - предел текучести для заданной стали он равен 310 МПа, е_в - эксцентриситет усадочной силы к верхней полки (е_в ~ 21,1).

Подставим все данный в уравнение (24) получим:

Найдем усадочную силу к нижней полки

где у_T - предел текучести для заданной стали он равен 310 МПа; е_в — эксцентриситет усадочной силы к верхней полки (е_н ~ 18,1).

Подставим все данный в уравнение (24) получим:

Подставим все найденные значения с учетом знака в уравнение (1) получим:

2. Прогиб от поперечных угловых швов при приварке ребер жесткости

Необходимо найти угол излома балки ц от приварки одной пары ребер горизонтальными и вертикальными швами:

где - поперечная усадка полки от одного шва к₃ (как определять показано в (=0,05)); - статический момент площади верхнего пояса, к которому приваривается ребро жесткости.

Подставим (8), (17) в уравнение (31) найдем:

Четыре вертикальных угловых шва к₃, приваривающих два смыкающихся ребра жесткости вызывают угловой излом

где S_lx - статический момент площади сечения стенки, где расположены вертикальные швы

Подставим (9), (17) в уравнение (33) получим:

Суммарный излом балки ц от одной пары ребер равен:

Подставим (33), (34) в уравнение (35) получим:

Прогиб балки от приварки всех ребер жесткости определяется по формуле:

где t - шаг между ребрами (t = 80 см).

Подставим (36) в уравнение (37) получим:

Суммарный прогиб будет равен с учетом знака:

3. Продольное укорочение балки

двутавр балка сварка Продольное укорочение балки от сварки поясных швов:

где F - площадь поперечного сечения двутавровой балки двутавровой балки.

Подставим найденные выше значения в уравнение (40) получим:

Продольное укорочение балки от приварки ребер жесткости от одной пары ребер:

где F_n площадь поперечного сечения верхней полки; д_С - толщина стенки.

Подставим значения в уравнение (42) получим:

Общее укорочение балки равно

Подставим (41), (44) в уравнение (45) получим:

Б. Теперь рассматривается случай, когда вначале осуществляется сборка и сварка тавра, затем прихватывается и приваривается другая полка. В последнюю очередь привариваются ребра жесткости.

Прогиб тавра от наложения двух поясных швов равен:

где]_х - момент инерции таврового сечения.

у_с находится из уравнения:

Подставим (5), (6), (9), (10) в уравнение (48) и найдем у_с

Момент инерции каждой фигуры будет равен:

Подставим (5), (6) соответственно и значения длинны и ширины полки в уравнение (50) получим:

Момент инерции сечения тавровой балки будет равен:

Подставим значения (51) и (52) в уравнение (53) и получим:

Найдем усадочную силу к нижней полки

Подставим значения из (23), (54) в уравнение (55) и получим следующие:

Подставим все найденные значения в уравнение (47) получим:

Прогиб двутавра от двух верхних поясных швов берем из первого случая он будет равен 30,8 см.

Суммарный прогиб (с учетом знака) равен:

Прогиб от ребер жесткости будет тот же самый, что и в рассмотренном выше способе сборки-сварки (А).

Общий прогиб, таким образом, равен:

Изменения произошли только в первом слагаемом.

Подставим все выше найденные значения в уравнение (61) с учетом знака и получим

Продольное укорочение от сварки поясных швов продольное укорочение составит:

где — сечение тавра; F - сечение двутавра.

Подставив все значения в уравнение (63) найдем:

f_а = 9,3 — 8 + 5,4 = 6,7

f_Б = 10,1 — 8 + 5,4 = 7,5

Заключение

Путем анализа полученных цифровых данных о сварочных остаточных деформациях, можно определиться с наиболее рациональным способ сборки и сварки в случае полной сборки двутавра на прихватках и последующей сварки всех поясных швов и ребра жесткости привариваются после выполнения поясных швов. Так как при таком способе продольное укорочение балки гораздо меньше чем в случае когда осуществляется сборки сварка тавра, а уж потом верхней полки.

Библиографический список

1. Николаев Г. А., Винокуров В. А. сварные конструкции. Расчет и проектирование: Учеб. для вузов / Под ред. Г. А. Николаева, - М.: Высш. шк., 1990. - 446 с.

2. Винокуров В. А., Григорьянц А. Г. Теория сварочных деформаций и напряжений.-М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

3. Проектирование сварных конструкций в машиностроении. Под ред. С. А. Куркина. М., Машиностроение, 1975. -376 с.