Остаточные напряжения и деформации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

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.

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.

б)

1. Прогиб от продольных швов

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

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

ус будет равен:

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

Площадь фигуры равна:

F = d•b (3)

F1 = 40 х 1,4 = 32 см² (4)

F2 = 38,4 х 1,4 = 31см² (5)

F3 = 50 х 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 Spacч - расчетная толщина соединения при сварке (Sрасч =1,5 см), q - эффективная тепловая мощность дуги Дж/сек, х - скорость сварки см/сек.

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

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

Подставим все данный в уравнение (24) получим:

Найдем усадочную силу к нижней полки

где уT - предел текучести для заданной стали он равен 310 МПа; ев - эксцентриситет усадочной силы к верхней полки (ен ~ 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 [1] (=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 Slx - статический момент площади сечения стенки, где расположены вертикальные швы

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

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 Fn площадь поперечного сечения верхней полки; дС - 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.

где]х - момент инерции таврового сечения.

ус находится из уравнения:

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

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).

Изменения произошли только в первом слагаемом.

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

fБ = 10,1 - 8 + 5,4 = 7,5

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.