Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Выбор материала является крайне важным этапом проектирования сварных конструкций.
Он зависит от способа сварки, стоимости конструкции, эксплуатационных свойств конструкции и веса и габаритных размеров конструкции. При выборе материала учитывается: прочность, пластичность , ударная вязкость, хладоломкость , стоимость и доступность. К технологическим свойствам относится свариваемость.
1 листовой прокат
2 сортовой прокат
3 фасонные профили общего назначения( уголки, швелеры, двутавры)
4 фасонные профили отраслевого назначения( для изготовления рельсов, ж.д. транспорта , строительных конструкций)
5 штампованные профили(получают из листовой стали толщиной 5…6мм холодной штамповкой)
6 гнутые профили (Экономичны, так как при относительно малой площади поперечного сечения и малой площади они обладают повышенной жесткостью.
7 трубчатые профили (Изготовляют сваркой, горячей прокаткой, прессованием, горячим
и холодным волочением и раздувкой.
Строительные конструкции рассчитываются на силовые воздействия, при которых они
перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям (достигают
предельного состояния).
Предельные состояния подразделяются на две группы.
К первой группе, соответствующей потере несущей способности
или непригодности к эксплуатации, относятся:
влияния внешней среды;
в результате текучести материала, сдвигов в соединениях;
Ко второй группе относятся:
или снижающие долговечность их вследствие появления недопустимых перемещений
(прогибов, осадок, углов поворота), колебаний, трещин и т. д.
Расчет ведут по расчетному сопротивлению R. Расчетное сопротивление
представляет собой характеристику материала, деленную на коэффициент
надежности по материалу.
по пределу текучести по пределу прочности
Коэффициент надежности вводят для того, чтобы учесть колебания механических
свойств из-за неравномерности химического состава стали
Напряжение, действующее в элементе конструкции не должно превышать:
при сжатии при изгибе
А – площадь поперечного сечения элемента, W – момент сопротивления сечения,
Омега с – коэффициент условий работы конструкций (разный для разных типов конструкций
Расчет сварных деталей машин на статическую прочность.
Расчет проводится по допускаемым напряжениям, которые устанавливаются
в зависимости от: свойств материалов, степени точности расчета прочности, рода усилий(растяжение, сжатие, изгиб), качества технологического процесса, характера нагрузок).
Допускаемое напряжение — это фактор технико-экономический
Если напряжения в конструкции то эта конструкция имеет излишнюю несущую способность, а следовательно, излишнюю массу материала и неэкономична
Если, напряжения в конструкции , то это означает, что несущая
способность конструкции менее требуемой, она неполноценна с позиции надежности
В машиностроительных конструкциях допускаемое напряжение определяется как
к – коэффициент запаса прочности
Избыточная прочность сварного соединения по сравнению с целым
элементом лишь удорожает конструкцию и не улучшает условий ее эксплуатации.
Недостаточная прочность сварного соединения снижает несущую способность всей
конструкции и не позволяет полностью использовать рабочие сечения ее элементов
На прочность рассчитываются только рабочие сварные соединения (сварные
соединения, разрушение которых влечет за собой выход из строя конструкции)
аб-рабочие вг связующие
Расчет стыковых соединений
Допускаемое усилие в сварном соединении:
s – толщина материала, l – длина шва.
Расчет нахлесточных соединений
В нахлесточных соединениях швы называются угловыми. Они бывают нормальные,
выпуклые, вогнутые. Выпуклые швы нецелесообразны ни с технической,
ни с экономической стороны. Они требуют больше наплавленного металла,
вызывают концентрацию напряжений.
В зависимости от направления угловых швов по отношению к действующему усилию их разделяют на лобовые, косые, фланговые, комбинированные.
Расчет угловых соединений
Допускаемое усилие в угловом шве
β – коэффициент проплавления. допускное напряжение
Расчет прочности комбинированных соединений производится согласно принципу
независимости действия сил
Общая несущая способность комбинированного соединения
Если катеты всех швов, входящих в состав комбинированного соединения, равны
между собой, то
L – длина периметра швов
Расчет тавровых соединений
Тавровые соединения применяют для соединения элементов, расположенных
во взаимно перпендикулярных плоскостях.
а – без подготовки кромок;
б – с с односторонней подготовкой кромок
и подваром при толщине листов 4. . .26 мм;
в – с двусторонней подготовкой кромок
элементов толщиной 12. . .60 мм.
Усталостным разрушением называется разрушение металлов под действием
повторных или знакопеременных нагрузок.
Характеристикой сопротивления усталостному разрушению является
предел выносливости – наибольшее напряжение в цикле нагружения, которое
выдерживает конструкция без разрушения при заданном количестве циклов
нагружения.
Предел выносливости определяется экспериментально по кривой усталости фото в тел)))
Предел выносливости материала зависит от: формы и размеров испытуемых образцов, структурного состояния материала, состояния поверхности образцов, вида нагружения (изгиб,кручение), свойств среды в котором производится испытание
Предел выносливости сварных конструкций зависит от предела выносливости
материала, из которого сделана конструкция, а также от формы и размеров
самого соединения. Это связано с тем, что любое сварное соединение является
концентратором напряжений.
Концентрация напряжений в сварных конструкциях.
Концентрация напряжений – это образование значительных напряжений на участках
малой протяженности, вызванное изменением формы образца.
Концентрация напряжений оценивается коэффициентом концентрации напряжений,
который показывает, насколько увеличиваются напряжения.
где – напряжение в конструкции без концентрации напряжений, – напряжение
в конструкции с концентрацией напряжений.
Причины возникновения концентрации напряжений в сварных соединениях
Технологические дефекты шва — газовые пузыри, шлаковые включения и особенно
трещины и непровары. Возле этих дефектов при нагружении силовые линии
искривляются, в результате чего образуется концентрация напряжений.
Коэффициенты концентрации напряжений около указанных дефектов значительны,
но при их небольшом числе и размерах прочность сварных соединений остается
удовлетворительной.
Нерациональные очертания швов. На основании данных теории упругости установлено,
что очертание швов оказывает большое влияние на распределение в них внутренних
сил.
Нерациональные конструкции соединений.
Концентрация напряжений в стыковых соединениях
В случае наличия усиления шва распределение напряжений по сечению становится
неравномерным.
Концентрация напряжений возникает в зоне шва, сопрягаемой с основным металлом.
Средние напряжения на оси шва несколько меньше напряжения в основном металле
вне соединения.
Концентрация напряжений образуется также в корне шва при его непроваре.
Еще одним источником концентрации может служить смещение одного элемента
относительно другого в результате возникновения сварочных деформаций.
Концентрация напряжений, вызванная очертанием шва, имеет место в зоне сопряжения шва с основным металлом, зависит от степени утолщения шва и радиуса перехода и резко возрастает при уменьшении радиуса до долей миллиметра.
Концентрация напряжений в лобовых соединениях
Лобовые соединения вызывают значительную концентрацию напряжений.
Концентрация напряжений в лобовых соединениях заметно снижается при увеличении глубины проплавления и введении плавных переходов от шва к поверхности соединяемых деталей.
Концентрация напряжений имеет место также в лобовых швах тавровых соединений
Возле ребер жесткости, приваренных к растягиваемому элементу, образуется концентрация напряжений
Коэффициент концентрации напряжений в шве таврового соединения зависит от его очертания и от формы сопряжения с основным металлом
Концентрация напряжений во фланговых соединениях
В соединениях с фланговыми швами имеет место концентрация напряжений
в швах и в основном металле полос между швами.
Основные элементы под действием растягивающих усилий удлиняются и перемещаются, во фланговых швах образуются сдвиговые деформации.
В соединениях с длинными фланговыми швами при небольшом расстоянии между ними концентрация образуется главным образом в концах фланговых швов (концентрация касательных напряжений). В соединениях с короткими фланговыми швами при относительно большом расстоянии между ними концентрация возникает преимущественно в основном металле на участке между швами (концентрация нормальных напряжений).
Принципы проектирования сварных конструкций, работающих
при знакопеременных нагрузках.
1. Сварные соединения должны вызывать минимальную концентрацию напряжений.
Для этого предусматривают оптимальную форму очертания шва, введением
механической обработки швов для обеспечения плавного перехода от шва
к основному металлу.
2. Необходимо учитывать термические превращения в стали при сварке, в результате
которых основной металл при переменных нагрузках приобретает пониженную
прочность в зоне отпуска. Аналогичное понижение предела выносливости в зоне
отпуска наблюдается в сварных соединения цветных сплавов. Разрушение
происходит на небольшом расстоянии от границы шва.
3. В процессе сварки в металле возникают остаточные напряжения, которые могут влиять на усталостную прочность конструкций. Остаточные напряжения растяжения понижают предел выносливости, а остаточные напряжения сжатия – повышают его.
Расчет на усталостную прочность строительных конструкций
Основное внимание уделяется расчету предела прочности основного металла
в зоне сварных швов.
Расчет предельно допустимого напряжения проводят по расчетным сопротивлениям,
которые определяют в зависимости от типа сварного соединения и концентрации
напряжений.
Максимальное расчетное сопротивление по усталости имеет стыковое соединение
(минимальная концентрация напряжений), минимальное расчетное сопротивление –
для нахлесточного соединения только с фланговыми швами (максимальная
концентрация напряжений).
где – коэффициент, учитывающий ожидаемое количество циклов нагружения; – коэффициент асимметрии цикла.
Расчет на усталостную прочность деталей машин
Для деталей машин допускаемое напряжение определяется по формуле
где n – коэффициент запаса, принимаемый в пределах 1,4…1,6;
Кэ – эффективный коэффициент концентрации напряжений для
рассматриваемого типа соединений.
Стойкой называется конструкция, работающая, в основном, на сжатие или
растяжение. При конструировании стоек, работающих на растяжение достаточно
провести расчет на статическую или усталостную прочность. Для стоек, работающих
на сжатие, помимо расчета на прочность проводится расчет на устойчивость.
Типы стоек в зависимости от приложения нагрузки:
Центрально-сжатые стойки – направление действующих нагрузок совпадает с
центральной осью сечения стойки, при расчете учитывается только продольная сила;
Внецентренно сжатые стойки – направление действующих нагрузок не совпадает
с центральной осью сечения стойки, при расчете учитывается продольная сила
и изгибающий момент.
Тип стойки определяется путем расчета относительного эксцентриситета:
– напряжения изгиба; – напряжения сжатия; М – изгибающий момент;
W – момент сопротивления сечения; А – площадь поперечного сечения;
Р – действующая сила.
В случае, если m<0,1, то изгиб не учитывается, стойка считается центрально-сжатой;
если 0,1<m<5, то изгиб учитывается, стойка считается внецентренно сжатой
Расчет стойки на статическую прочность проводится по формулам
для центрально-сжатых стоек, N – продольная сила
для внецентренно сжатых стоек.
Расчет центрально-сжатой стойки на устойчивость проводится по формуле:
где φ – коэффициент, показывающий, на сколько необходимо уменьшить действующие
напряжения, чтобы не произошло потери устойчивости.
Проектирование сварной балки
Балкой называют конструкцию, работающую в основном на изгиб
Показателем экономичности сечения балки служит параметр W/A, где W – момент
сопротивления сечения; А – площадь поперечного сечения. Чем больше это
отношение, тем эффективнее сечение работает на изгиб.
Увеличить отношение W/A можно путем увеличения толщины полок и уменьшения
толщины стенки, однако чрезмерное уменьшение толщины стенки может привести
к потере местной устойчивости.
Кроме расчета на статическую и усталостную прочность, общую и местную
устойчивость, балки в обязательном порядке рассчитываются на жесткость
Под жесткостью здесь понимается обеспечение требуемого прогиба балки.
прогиб задается в виде отношения f/l, где f – допустимый прогиб, l – длина балки.
При проектировании балки следует учитывать, что требование жесткости может
быть обеспечено при высоте балки не менее определенной величины.
При этом высота балки влияет на ее металлоемкость, чем ниже балка, тем меньшая
площадь поперечного сечения требуется для обеспечения требуемой прочности.
Поэтому, как правило, определение высоты балки является первым этапом
ее проектирования.
После определения высоты балки задают толщину стенки
Общая устойчивость балки оценивается путем уменьшения допускаемых напряжений
на коэффициент φ. Этот коэффициент зависит от геометрических характеристик
сечения.
Местная устойчивость рассчитывается для вертикальной стенки, в случае
невыполнения условия местной устойчивости можно увеличить толщину стенки или
ввести ребра жесткости
Основные принципы проектирования сварных конструкций
1 Выбор наилучших конструктивных форм
2 Целесообразно вместо пространственных решетчатых конструкций использовать
оболочковые; применять гнутые или гофрированные тонколистовые, а также
сотовые элементы;
3 Выбор металла открывает большие возможности снижения массы изделия.
Наибольшая экономия металла может быть получена при использовании прочных
и высокопрочных сталей, а также сплавов(алюм, титан.)
Повышение прочности металла нередко сопровождается ухудшением его свариваемости или снижением сопротивления разрушению. Поэтому экономия металла за счет повышения его прочности целесообразна только при учете всех этих факторов. Большие перспективы имеет применение композиционных материалов, например двухслойных сталей.
4 Необходимо стремиться к наиболее рациональному варианту расчленения
конструкции на элементы. Намечая расположение сварных соединений,
проектировщик не только задает форму и размеры отдельных заготовок,
но и в значительной степени предопределяет решение ряда конструктивных
и технологических вопросов (методы получения заготовок, типы соединений,
приемы сварки и др.).
5 Выбор метода сварки необходимо проводить с учетом свариваемости
металла заготовок.
6 Назначение типа сварного соединения необходимо проводить с учетом
обеспечения удобства выполнения сборочно-сварочных операций.
7 При проектировании сварных конструкций необходимо использовать типовые
и стандартизованные сварные детали и узлы, что позволяет снижать их стоимость
и затраты на технологическую подготовку производства.
8 Для предотвращения образования чрезмерных сварочных деформаций сварные
соединения необходимо располагать симметрично. Режимы сварки должны
обеспечивать симметричность сечения шва в зоне термического влияния.
В некоторых случаях целесообразно применять предварительный изгиб деталей перед сваркой с таким расчетом, чтобы после нее изделие приняло заданную форму. Сварочные деформации тем больше, чем больше сечения швов
9 В процессе сварки вследствие усадочных явлений в шве происходит
укорочение конструкции и ее искривление.
10 В сварной конструкции не допускают резких (ступенчатых) переходов по толщине
металла, отклонений от симметричности расположения элементов по толщине
и переходов форм конструкции (малых радиусов закругления вырезов).
Основные принципы проектирования сварных деталей машин
1 Диапазон применяемых марок сталей широк: наряду с низкоуглеродистыми
и низколегированными сталями применяют высоколегированные. Иногда заготовки
подвергают термической обработке до сварки. К качеству конструкций
предъявляются высокие требования.
2 В деталях машин размеры элементов нередко определяются условиями
не прочности, а жесткости. В этом случае рабочие напряжения принимаются
значительно ниже допускаемых.
3 В деталях машин большое значение имеет точность изготовления. Остаточные
напряжения в сварных конструкциях, находящихся в эксплуатации, с течением
времени меняют свое значение. Вследствие этого в конструкции появляются
деформации. Поэтому сварные изделия, изготовляемые и обрабатываемые
по высшим квалитетам точности, необходимо после сварки подвергать
термической обработке.
4 В зонах сварных соединений некоторых низколегированных сталей происходит
процесс замедленного распада аустенитной структуры, вызывающий
деформирование соединения в течение некоторого времени. В процессе
эксплуатации сварных соединений из низкоуглеродистой и аустенитной стали
изменения размеров обычно не происходит. Существуют разные мероприятия
для устранения этого вредного явления. Одно из них — применение рациональной
термической обработки изделия после сварки.
5 Механическую обработку сварных деталей машин следует, как правило,
производить после отпуска, так как удаление части сечения вызывает
перераспределение остаточных напряжений и искажение ранее
обработанных поверхностей
6 «Горячий монтаж», т. е. сборку и сварку механически обработанных заготовок
без последующей механической обработки готовой детали, можно применять
только при тщательной обработке технологии сварки.
7 Детали машин часто воспринимают действие динамических нагрузок. Это требует
проектирования конструкций с возможным устранением
концентраторов напряжений.