АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1 Сварные соединения и швы. Классификация и применение 8
1.2 Виды нагрузок и разрушений сварных соединений 11
1.3 Анализ существующих подходов к расчётной оценке влияния механической и геометрической неоднородности на работоспособность
сварных швов 17
1.4 О механической неоднородности 22
1.5 Цель и задачи работы 23
2 ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТАВРОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ 25
2.1 Объект исследования 25
2.2 Выбор методов исследования 25
2.3 Выбор модели. Условия и допущения 28
2.4 Планирование эксперимента 31
2.5 Исследование напряженно-деформированного состояния
теоретической модели 32
Выводы по разделу два 43
3 ОПТИМИЗАЦИЯ ТАВРОВОГО СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ 44
3.1 Экспериментальная оценка влияния степени механической
неоднородности 44
3.2 Математическая модель оценки влияния степени механической
неоднородности 52
Выводы по разделу три 56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 59
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А 60
Наряду с повышением надежности и долговечности сварных конструкций к ним предъявляют требования по снижению металлоемкости, в частности, по снижению количества наплавленного металла. Это, в первую очередь, относится к сварным соединениям с угловыми швами, так как из всех сварочных материалов, потребляемых в промышленности, более 70 % расходуется на выполнение угловых швов. Согласно нормативному методу расчета на прочность сварных соединений с угловыми швами СП 16.13330.2017 [1], расчет ведут на условный срез по минимальному сечению шва. Размер минимального сечения определяют в зависимости от размера катета шва и нормативного коэффициента, который, в свою очередь, зависит от способа сварки. Следует отметить, что в СП недостаточно полно учтены возможности увеличения размера расчетного сечения при выполнении угловых швов. Так же в СП16.13330.2017 не учитывается влияние концентраторов напряжений. Повышение эффективности работы тавровых сварных соединений можно достичь путем выбора оптимальных сечений сварных швов, характеризующихся наименьшим количеством наплавленного металла при заданных нагрузках. Очевидно, что проектирование сварных соединений с неполными проплавлениями и пониженными сечениями угловых швов должно быть основано на соответствующих расчетных методиках оценки их прочности. Существующие методики расчета на прочность тавровых соединений с угловыми швами разработаны в основном для равнокатетных швов, то есть для частного случая их геометрической формы. Последнее значительно ограничивает использование предлагаемых расчетных методик и не позволяет провести оптимизацию геометрических параметров рассматриваемых соединений с точки зрения обеспечения их максимальной несущей способности при заданном объеме наплавленного металла.
Также в нормативной документации не рассматривается влияние на несущую способность соединения применение более «твердых» сварных швов, что так же может положительно влиять на прочность сварного соединения. Предполагается, что применение углового шва с оптимизированной геометрией и степенью механической неоднородности может привести к значительному снижению объёма наплавленного металла и повышению общей прочности соединения за счёт смещения возможной линии пластического течения шва из зоны наплавленного металла в зону сплавления с увеличенной длиной.
В выпускной квалификационной работе проведено исследование по оптимизации геометрических и механических характеристик тавровых сварных соединений. Для этого было выбрано типовое тавровое соединение, используемое во многих отраслях машиностроения, строительства и т.д. Для проведения анализа был проведён обзор современных CAE систем и выбрана программа ANSYS. В результате проделанной работы проанализировано соединение с требованиями нормативной документации и выявлен ряд недостатков.
Предложены меры по оптимизации геометрии сварного соединения. Выявлена зависимость напряженно-деформированного состояния от степени механической неоднородности металла шва и основы. Предложена формула, позволяющая найти оптимальную величину механической неоднородности соединения в зависимости от таких геометрических характеристик как:
- ширина свариваемой пластины (стенки);
- величина эквивалентного катета;
- угол при вершине лобового катета;
- относительная глубина проплавления стенки.
В результате проведённых исследований предложены меры, позволяющие получить шов необходимых геометрических характеристик, а также сварочные материалы, обеспечивающие необходимый уровень механических характеристик шва.
