Анализ методов расчета и проектирования сварных конструкций ответственного назначения

Представлен анализ применяемых методик расчета сварных конструкций на прочность и долговечность, а также характерных разделов модульного принципа систем расчета в ИЭС им. Е.О. Патона: расчет сварных соединений с угловыми швами, нахлесточных с точечными швами, соединений, работающих при высоких температурах и сварных соединений с дефектами.

Сварка одна из наиболее популярных технологий 20 столетия Трудно указать область в производстве, где не используют сварку для соединения элементов конструкций.

Есть все основания считать, что и в 21 столетии популярность сварочных технологий не снизится.

Одним из характерных показателей качества сварных конструкций является надежность (безопасность) в эксплуатации при умеренных затратах средств на проектирование, изготовление и ремонты.

Статистика показывает, что среди большого количества факторов, влияющих на безопасность эксплуатации сварных конструкций, наиболее значительными являются: качество проектирования — 40 % правильная эксплуатация — 30 % качество производства и контроля — 20% остальные — 10 %

Таким образом, качество проектирования имеет большое значение для безопасности эксплуатации сварных конструкций ответственного назначения. Это положение хорошо понимают создатели сварных ответственных конструкций, поэтому проектирование и расчет обычно осуществляется в рамках соответствующих кодов, норм и правил, действующих в различных странах, ведомствах и т.д.

Здесь нет необходимости подробно останавливаться на этих документах, основанных на соответствующем многолетнем опыте проектирования и расчета подобных конструкций. Отметим только, что такие документы отражают обычно накопленный опыт 10-15 летней давности и, несмотря на свою достаточно высокую консервативность, полностью не исключают риска отдельных отказов, особенно для сварных соединений, объем которых в сварных конструкциях не превышает 1-1.5 %, а количество отказов по вине сварных соединений составляет 70-80 %. Я позволю себе в докладе остановиться только на отдельных вопросах общей проблемы.

Вероятностный подход

Традиционно в существующих методах расчета элементов сварных конструкций мерой обеспечения эксплуатационной безопасности является коэффициент безопасности, состоящей обычно из четырех компонент:

К1 — коэффициент запаса по свойствам материала;
К— коэффициент запаса учитывающий качество изготовления и контроля производства сварной конструкции;
К3 — коэффициент запаса по нагрузке;
К4 — коэффициент запаса по точности расчета, зависящий от знаний и опыта пользователя.

Количественные значения этих коэффициентов в упоминаемых документах могут меняться в определенных пределах (например К4 = 1,0 — 1,3, К3 = 1,0 — 2,0 и т.д.) и очень часто их выбор в определенной степени зависит от пользователя, что связано с риском неоправданного утяжеления конструкции, а при чрезмерном оптимизме пользователя — с риском преждевременного разрушения. В этой связи заслуживает более широкого внимания вероятностный подход к назначению коэффициентов безопасности на основе нормированного риска отказа элементов ответственной сварной конструкции за период эксплуатации. Приведенные ниже в таблице 1 отдельные данные по нормируемым рискам отказа для элементов различных ответственных конструкций показывают, что эти величины могут колебаться в весьма широких пределах, что требует и весьма дифференцируемых подходов к проектированию таких конструкций (рис.1).

Схема взаимодействия частотных диаграмм нагруженности и сопротивляемости материала
Схема взаимодействия частотных диаграмм нагруженности и сопротивляемости материала

Допускаемые риски разрушения, используемые при проектировании

№ п/п

 

Объект Риск та время эксплуатации
1 Элементы наземных транспортных средств, не сыпанные с опасностью для человеческой жизни 5×10-2
2 Жизненноответствснныс элементы наземных транспортных средств 10-3
3 Элементы средств военной авиации 10-4
4 Элементы средств пассажирской авиации 3×10-5
5 Жизненноважные элементы атомных станций 10-7/год

Вероятностному подходу при расчетах на прочность различных конструкции посвящено много работ (Болотина В.В., Стрелецкого Н.С., Николаенко Н.А., Тимашова С.А., Чираса A.A., Freundenthal A.M., Davenport A.G.. Jonson A.I. и т.д.). Применительно к сварным соединениям актуальность такого подхода особенно велика, учитывая стохастический характер целого рода определяющих параметров (механические свойства, геометрические размеры, остаточные напряжения), от которых зависят результаты расчета.

В ИЭС им.Е.О.Патона применительно к расчету на прочность различных сварных соединений с угловыми швами создана компьютерная система, в которой расчет на статику и усталость осуществляется с учетом вариации указанных определяющих параметров и внешней нагрузки при заданной обеспеченности (риска неразрушения). Естественно, что основу современных вероятностных подходов расчета на прочность составляют алгоритмы детерминированных подходов, в которых с помощью соответствующих критериев прочности увязываются характеристики нагруженности и сопротивляемости материала.

Критерии прочности

Развитие механики разрушения тел с трещинами в последние десятилетия явились значительным стимулом для совершенствования расчета на прочность сварных соединений, для которых острые примыкающие полости конструктивного либо технологического происхождения являются достаточно характерным явлением даже в сварных конструкциях ответственного назначения. Соответствующие рекомендации но этому вопросу имеются в документах Международного Института Сварки, а также в целом ряде относительно новых кодов и правил.

В упомянутой выше системе используются при статическом нагружении двухпараметрический критерий хрупко-вязкого разрушения в виде

Kγ≤f(Lγ)           (1)

где Kr= Кwθmax,LC — коэффициент интенсивности напряжений в вершине примыкающей острой полости либо трещине, если они имеют место. С учетом многоосности нагружения K определяется по теории обобщенного нормального отрыва, т.е. в зависимости от соответствующих мод КI, КпI, КIII, вызванных эксплуатационными силовыми и температурными нагрузками, а также мод КIres, КIIres, КIIIres, от нерелаксированных остаточных напряжений, Кк— вязкость разрушения материала при данных условиях эксплуатации, LICi σp , σi — интенсивность напряжений нетто в рассматриваемом сечении, — σp  сопротивление материала низкому разрушению, т.е.

0≤f(Lγ)               (2)

критерий вязкого разрушения в данном сечении.

При переменных нагрузках долговечность элемента конструкций N обычно определяется количеством циклов Ni до инициирования усталостной трещины и периодом ее роста Np до критических размеров, которые которые в свою очередь определяются по (1) при максимальных нагрузках цикла.

В целом ряде случаев для элементов ответственных сварных конструкций расчет ведется только из условий не возникновения усталостных трещин.

Здесь различают критерии связанные с механизмом возникновения трещин многоцикловой усталости, т.е. при относительно невысоких амплитудах нагрузки и с механизмом возникновения трещин малоцикловой усталости, т.е. при интенсивном нагружении. Эти вопросы достаточно хорошо проработаны особенно при регулярном циклическом нагружении и др. Несколько меньше имеется данных для сложных спектров нагружения, хотя большинство сварных конструкций, работающих на усталость подвержены именно таким переменным нагрузкам. В работах проф. В.И.Труфякова и др. достаточно обстоятельно исследован случай двухчастотного нагружения. Болес общие случаи спектра нагрузки сварных конструкций исследованы в целом ряде организаций и нашли соответствующее отражение в правилах, например в и др.

Спектр количества циклов переменной нагрузки обычно характеризуется при этом параметром р = 0 — 1,0.

В таб.2 приведены данные, иллюстрирующие значимость такого учета для сварных соединений из сталей повышенной прочности.

В области малоцикловой усталости сварных соединений используются как силовые, так и деформационные и др. критерии инициирования усталостных трещин. Последние основаны на суммировании накопленных пластических деформаций.

Пределы усталости σγmax на базе 2×106 циклов для стальных сварных соединений характеризуемых параметром Кх в зависимости от характеристики спектра нагружения «р» и вероятности неразрушения «Q».

р

К

1,3 1.5 1.7 2.0 2.3 2.6 з.о 3.5 4.0 5.0
1.0 135 110 92 73 62 55 45 39 36 31
5/6 165 135 114 89 70 61 55 48 44 38
2/3 169 143 123 101 77 68 62 56 52 44
10-3 1/2 308 175 147 116 95 82 75 69 58 49
1.3 415 358 243 163 135 118 109 93 81 69
1.6 556 481 412 328 240 205 185 144 134 113
0 690 645 594 521 395 356 318 288 269 220
1.0 118 95 80 62 55 44 38 33 37 27
5.6 145 116 98 76 63 56 48 40 38 33
2/3 148 123 106 86 62 55 51 47 44 39
10-5 1/2 187 152 127 99 83 73 64 55 49 43
1/3 358 278 178 139 119 106 93 80 69 61
1/6 469 419 348 269 205 180 150 131 115 101
0 644 554 522 439 333 298 270 234 220 195

Критерии роста трещин

Это направление весьма актуально для сварных конструкций как в условиях переменных нагрузок, так и в условиях статики под действием агрессивных сред (коррозионные трещины), и в условиях высоких температур (трещины ползучести).

Существующие подходы основаны на обобщении экспериментальных данных, связывающих скорость роста размера трещины dl/dN с размахом коэффициента интенсивности ΔКI, при переменных на!рузках либо dl/dt с КI, при статических условиях и наличии высоких температур либо агрессивных сред (рис.2).

Схемы диаграмм трещиностойкости материала при циклическом нагружении в инертной и агрессивной среде
Схемы диаграмм трещиностойкости материала при циклическом нагружении в инертной и агрессивной среде — а), при статическом нагружении в агрессивной среде — б) и при высоких температурах — в).

Наличие остаточных сварочных напряжений может оказывать заметное влияние, увеличивая величину К, при статических нагрузках и меняя асимметрию цикла при переменных нагрузках.

Нагруженность различных участков сварною соединения

Из изложенного видно, что для расчетной оценки несущей способности сварных соединений необходимы адекватные знания относительно напряженною (деформированного) состояния в соответствующих сечениях сварного соединения, а в случае острых полостей (трещин) еще и величин коэффициентов интенсивности напряжений как от внешней нагрузки, так и от остаточных нерелаксируемых напряжений. По этим вопросам можно найти определенную информацию в соответствующих публикациях и др.. а также с помощью соответствующих пакетов компьютерных программ, например Ansys.

Краткая характеристика существующей в ИЭС системы расчета на прочность сварных соединении

Система построена по модульному принципу, т.е. за основу типовой сварной узел при характерных видах нагружения номинальными статическими либо переменными (циклическими) нагрузками, что позволяет все вопросы, связанные с распределением локальных напряжений, коэффициентов интенсивности напряжений, выбором критериев прочности, учета стохастичности исходных данных и т.д. выполнять автоматически, оставив пользователю только назначение исходных данных путем заполнения соответствующей таблицы и анализ полученных результатов.

По назначению в системе можно выделить четыре характерных раздела.

  • Расчет сварных соединений с угловыми швами
  • Расчет сварных соединений внахлестку с точечными швами
  • Сварные соединения, работающие при высоких температурах
  • Оценка остаточного ресурса сварных соединений с дефектами.