Распределение напряжений в лобовых швах

Изучение распределения напряжений в лобовых швах произво­дилось теоретически - на основе положений теории упругости и пластичности - и экспериментально - на моделях с применением поляризованного света, лаковых покрытий, тензометрирования. В последние время развивается метод численного моделирования на ЭВМ, который позволяет получить наиболее полную информацию о напряженно-деформированном состоянии металла шва и в отличие от других расчетных методов достаточно хорошо согла­суется с данными экспериментов. Расчет и эксперимент подтвер­дили наличие значительной концентрации напряжений в лобовых швах и большое влияние на распределение напряжений конфигу­рации поперечного сечения шва: глубины проплавления, угла при вершине и фор­мы свободной поверхно­сти шва (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Элементы сечения углового лобового шва

Концентрация напряже­ний заметно снижается при увеличении глуби­ны проплавления, уве­личении угла β_c в слу­чае действия усилия вдоль катета, располо­женного напротив угла β_c, и введении плавных переходов от шва к по­верхности соединяемых деталей.

Расчеты на ЭВМ, проведенные в свароч­ной лаборатории МВТУ им. Н. Э. Баумана, по­казали, что при возра­стании нагрузок проис­ходит выравнивание де­формаций и снижение концентрации напряже­ния. На рис. 6.6 при­ведены распределения напряжений в лобовых швах при средних на­пряжениях в минимальных сечениях, равных пределу текучести (рис. 6.6 а, б), и в мо­мент начала разрушения швов (рис. 6.6 в, г). Из рис. 6.6 а, б видно, что области концентрации напряжений располагаются у корня шва (точка А) и по линиям перехода от шва к соединяе­мым деталям (точка В на рис. 6.6 а и точка С на рис. 6.6 б).

При увеличении нагрузки (рис. 6.6 в, г) густота линий рав­ных напряжений уменьшается, что говорит о снижении концентра­ции напряжений. Важную роль при этом играет направление на­грузки по отношению к плоскости непровара. При одинаковых уровнях средних напряжений нагрузка, перпендикулярная пло­скости непровара (рис. 6.6 б), дает большую концентрацию на­пряжений, чем параллельная плоскости непровара (рис. 6.6 а). Эта закономерность сохраняется вплоть до начала разрушения (рис. 6.6 в, г), проходящей через корень шва А, причем положение этой плоскости зависит от направления нагрузки Р. В дальнейшем по этой пло­скости, как правило, происходит разрушение шва.

Рис. 6.6. Распределение эквивалентных напряжений σ_э в шве и околошовной зоне при действии на шов нагрузки Р: а, б – при средних напряжениях в минимальном сечении, равных пределу текучести; в, г – в момент начала разрушения швов. Утолщенной линией выделена граница зоны пластических деформаций σ_э = σ_т

Распределение напряжений в соединениях с лобовыми швами (рис. 6.7 а) показано на рис. 6.7 б (сечение А - А), на рис. 6.7 в (сечение А - А) и на рис. 6.7 г (сечение В - В). Наибольший ко­эффициент концентрации a_n = 2 имеет место в сечении А - А (рис. 6.7, б).

Рис. 6. 7. Распределение напряжений в моделях сварных соединений с двусторонними накладками

В нахлесточных соединениях с двумя лобовыми швами усилия между ними распределяются равномерно, в случае если элементы имеют равные толщины. При разнотолщинности рис.6.8 имеет место концентрация напряжений.

Рис.6.8. Нахлесточное соединение полос разной толщины S₁ и S₂

Концентрация напряжений имеет место также в лобовых швах тавровых соединений. Так, возле ребер жесткости, приваренных к растягиваемому элементу (рис. 6.9 а), образуется концентра­ция напряжений σ_х по сечению А - А. Эпюра этих напряжений показана на рис. 6.9 б. Коэффициент концентрации напряжений в шве таврового соединения зависит от его очертания и от формы сопряжения с основным металлом.

Рис.6.9. Концентрация напряжений в тавровом сварном соединении при среднем значении σ_х=150 МПа: а – схема таврового соединения;

б – эпюра распределения напряжений в сечении А - А