научная статья по теме ОСТАТОЧНЫЕ РЕАКТИВНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ ОТ ВВАРКИ ПАТРУБКА Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ОСТАТОЧНЫЕ РЕАКТИВНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ ОТ ВВАРКИ ПАТРУБКА»

СУДОСТРОЕНИЕ 1'2003

ОСТАТОЧНЫЕ РЕАКТИВНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ ОТ ВВАРКИ ПАТРУБКА

В. Д. Горбач, докт. техн. наук, В. Н. Хвалынский,

канд. техн. наук (ФГУП ЦНИИТС), И. В. Прокофьев (Управление кораблестроения ВМФ)

Штампосварные сферические конструкции, содержащие вварные цилиндрические детали насыщения, широко применяются в судостроении, тепловой и атомной энергетике, химической промышленности и в других областях техники.

В основу оценки работоспособности подобных ответственных конструкций в целом закладывается характер напряженно-деформированного состояния (НДС), создаваемого в процессе их изготовления и эксплуатации. Остаточные сварочные напряжения способствуют общему усилению НДС, обусловленному эксплуатационной нагрузкой. Поэтому при проектировании и изготовлении таких конструкций должны быть использованы все возможности регулирования их начального НДС, что требует для оценочных и контрольных расчетов разработки и дальнейшего развития существующих приближенных методов расчета остаточных сварочных деформаций и напряжений, основанных на достаточно простых моделях. Следует отметить, что формирование сварных соединений, выполненных по замкнутому контуру, оказывает особенно неблагоприятное влияние на работоспособность конструкций, так как в таких соединениях возникает более жесткое поле остаточных напряжений, чем в прямолинейных, выполненных в идентичных условиях.

Согласно принятой классификации остаточные сварочные напряжения подразделяются на собственно остаточные, формирующиеся непосредственно в многопроходном сварном соединении, находящемся в незакрепленном состоянии, и реактивные — дальнодействующие напряжения, возникающие в процессе сборочно-сварочных операций вследствие ограничения свободного укорочения сварных соединений со стороны свариваемых элементов и являющиеся неуравновешенной частью эпюры остаточных напряжений.

Определение остаточных сварочных деформаций и напряжений в многопроходном круговом шве при полном отражении всех особенностей процесса их формирования может быть выполнено лишь численными методами [1, 2]. Такие расчеты связаны с большой трудоемкостью, что является существенным препятствием для их практическо-

го применения. В связи с этим наряду с разработкой точных решений большое внимание уделяется созданию приближенных методов, основанных на более простых моделях, позволяющих оценить влияние теплофизических и механических свойств материала, а также режимов и условий сварки на работоспособность конструкций с достаточной для практики точностью.

В данной статье изложено именно такое решение. Оно основано на известных в инженерных методах расчета сварочных деформаций и напряжений допущениях: материал конструкции идеально упруго-пластический; используется схема быстродвижущегося источника тепла, т. е. пренебрегаем изменением температуры вдоль оси шва при сварке соединения; справедлива гипотеза об осевой симметрии НДС, т. е. полагаем, что остаточные пластические деформации одинаковы во всех сечениях сварного соединения и возникают одновременно по всей его длине.

В термомеханической части решения используем аналитические зависимости остаточных продольных и поперечных пластических деформаций — объемы продольного и поперечного укорочения сварного соединения [3] — для определения усилий и перемещений в зоне сварного шва. В деформационной части — известный в строительной механике способ, когда конструкцию мысленно разделяют на отдельные элементы (рис. 1), а воздействие отброшенных частей заменяют усилиями и моментами их взаимодействия О и М. При этом распределение усилий от продольного укорочения между сферической оболочкой и цилиндрическим патрубком принимаем пропорциональным распределению между ними энергии нагрева сварочной дуги. С учетом этого положения после некоторых преобразований получим выражения для усилий от продольного укорочения, действующих на конструкцию при охлаждении сварного соединения:

ЕУ,

Рсф = ■

сф

рп = Еуп/н;

(1)

Ф0

К sin- ,

технология СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ

СУДОСТРОЕНИЕ 1'2003

Рис. 1. Расчетная схема конструкции:

1 — сферическая оболочка; 2 — цилиндрический патрубок; 5, ф — текущие значения дуговой координаты и соответствующего центрального угла

где Рсф, Рп — усилия от продольного укорочения, приложенные к сферической оболочке и цилиндрическому патрубку; Е — модуль упругости материала конструкции; К и гн — радиус кривизны сферической оболочки и наружный радиус сечения цилиндрического патрубка соответственно; фо — центральный угол, соответствующий наружному диаметру поперечного сечения патрубка; Усф, Уп — погонные объемы продольного укорочения, отнесенные соответственно к сферической оболочке и патрубку.

Систему уравнений для определения неизвестных усилий и моментов О и М (см. рис. 1) составим из условия взаимности перемещений разделенных элементов и неразрывности:

|Асф- Ап = АвФ; кф- ип = ¥,

(2)

Ккр — коэффициент, определяемый по графику; Ав — поперечное укорочение прямолинейного сварного соединения, выполненного в идентичных условиях).

Погонный объем сварного соединения цилиндрического патрубка со сферической оболочкой определим из условия применения схемы точечного источника тепла, действующего на поверхности полубесконечного тела, так как для листов толщиной более 20 мм влияние ограничения теплового потока ненагре-ваемой плоскостью пластины не сказывается на размерах зон, ближайших к источнику. Отсюда, полагая, что поверхности равных температур при действии точечного источника тепла представляют собой полусферы, определим радиус зоны пластических деформаций основного металла от одного прохода [3] при формировании сварного шва:

I а Яп =л 0,1623--,

\ су 85

(3)

где Асф, А п — линейные перемещения сферической оболочки и цилиндрического патрубка в направлении, перпендикулярном оси сварного соединения; и сф, и п — угловые перемещения сферы и патрубка; ¥ — угловая деформация сварного соединения; А в кр = КкрАв — поперечное укорочение кругового сварного соединения, определяемое согласно [3] и с учетом его повышенной сопротивляемости укорочению ввиду круговой геометрии сварного шва [4] (здесь

единения Рак.

К

F' + F

ак напл

(4)

го металла сварного соединения; Fнапл — площадь поперечного сечения наплавленного металла.

Тогда погонный объем продольного укорочения сварного соединения

: 8 F' + 8 F

б ак ^бн напл '

(5)

где гак — радиус зоны пластических деформаций основного металла от одного прохода; а/ су — коэффициент тепловой деформации материала конструкции; а — коэффициент линейного расширения материала; у — плотность материала; 8б — относительная деформация, соответствующая пределу текучести основного металла сварного соединения; с — удельная теплоемкость материала; яп = 0,24 1/свШДсв) П — погонная энергия нагрева свариваемых элементов; / — сила сварочного тока (здесь ид — напряжение дуги; Усв — средняя скорость сварки; П — эффективный КПД процесса нагрева изделия дугой).

Зная площадь поперечного сечения валика от одного прохода и площадь сечения наплавленного металла сварного шва, определим количество проходов, необходимых для формирования сварного соединения и, следовательно, общую площадь зоны остаточных продольных пластических деформаций или площадь активной зоны сварного со-

где 8бн — относительная деформация, соответствующая пределу текучести наплавленного металла.

Принимая погонные объемы сварного соединения, отнесенные к сферической оболочке и патрубку, пропорциональными толщинам свариваемых элементов, определим усилия Рсф и Рп по формулам (1).

В деформационной части применим метод, основанный на представлении каждой из сопрягаемых оболочек (сферической и цилиндрической) в виде множеств одинаковых балок-полосок на сплошном упругом основании, принимая допущения: ось цилиндрического патрубка, расположенного на достаточном удалении от контура сферической конструкции, направлена по радиусу сферы; по сравнению с радиусом сферы радиус патрубка мал, а его длина достаточно большая.

С учетом первого допущения, предопределяющего двухстороннюю симметричную разделку кромок кругового соединения, и технологии, предусматривающей одновременную сварку диаметрально противоположных блоков с чередованием проходов с внутренней и наружной стороны оболочки, принимаем угловую деформацию ¥ = 0. Тогда, используя зависимости теории изгиба балок на сплошном упругом основании [5] и подставляя их в условия (2), получим разрешающую систему уравнений для определения неизвестных М и О:

2(Рсф + О)Р Ф0 2МР2 ф0

- Б1П2 -+ -

-Б1П —

К 2

2(Рп+°)Рп

2 К

■ = Авкр;

п (6) 2 лкА&3 иа 3

2(Рсф + О)в2 ф0 4Мр3 Мрп

-б1П — +-+-= 0,

К

2 К К

где Fа к — площадь зоны продольных пластических деформаций основно-

где К = 58/К2; Кп = Е8п/г2 — жесткость упругого основания для сфери-

г

ак

2

К

ПОСТРОЕНИЕ 1'2003

ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ

ческой оболочки и цилиндрического патрубка соответственно; 8, 8п — толщины сферической оболочки и стенки патрубка; г — радиус срединной поверхности цилиндрического патрубка; в = 1,285/^8, рп = 1,285/\г8п — жесткостные параметры сферической оболочки и цилиндрического патрубка.

После вычисления M и О сферическая оболочка и цилиндрический патрубок рассматриваются отдельно.

Остаточные реактивные напряжения в сферической оболочке от вварки цилиндрического патрубка, радиальные О1 (з) и тангенциальные а2(э), определим по известным формулам [6]

оЛз) :

71(з) 6М1Ы

Т2(з) 6М2(з) 02(5) =-±-

(7)

Т1 (з) = е!дф

(Рсф + О) - ^2^1(рз) + 2М»)

К

Т2З = -2М1 в2К^(рз) - 2(Рсф + О) в*г^Уо(Рз) ;

(8)

(Рсф + О) г

М1(з) = М^2^3(вз) - -

в К

■Мда ;

5° -о-§

Фео

* о,

иго

ЯоЧу №

Ш

= о 15'

* 5 и

<5 8 §

г <э ^

00

«I

5 5

1 О п 10

! ! 1

>«1

\

\

\ \ \

\

\

\ 2

---

/ / 01 ' гбо "500^. 660 700 .

Г ГГ^З

'р 4

/ 0,4-/-

где Т1(з), Т2(з), М1(з), М2(з) — текущие значения меридиональных и кольцевых усилий и изгибающих моментов соответственно, определяемые по формулам

Рис. 2. Остаточные реактивные напр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком