Главная » 2014»Июнь»30 » Скачать Зависимость пределов выносливости элементов крановых металлоконструкций от их размеров. Мпандей, Басима Донго бесплатно
4:53 AM
Скачать Зависимость пределов выносливости элементов крановых металлоконструкций от их размеров. Мпандей, Басима Донго бесплатно
Зависимость пределов выносливости элементов крановых металлоконструкций от их размеров
Диссертация
Автор: Мпандей, Басима Донго
Название: Зависимость пределов выносливости элементов крановых металлоконструкций от их размеров
Справка: Мпандей, Басима Донго. Зависимость пределов выносливости элементов крановых металлоконструкций от их размеров : диссертация кандидата технических наук : 05.05.05 Ленинград, 1984 260 c. : 61 85-5/2089
Объем: 260 стр.
Информация: Ленинград, 1984
Содержание:
1 Теоретический анализ вопроса о проявлении масштабного эс[1фекта в усталости сварных металлоконструкций
11 Анализ рез^т-льтатов экспершлентальных исследований элеА1ентов сварных металлоконструкций, шлеющих различные размеры
12 Теоретический анализ методов расчетного определения пределов выносливости сварных соединений с учетом масштабного эффекта
13 Завистюсть конструктивно-технологических факторов от размеров сварных элементов металлоконструкций
14 Выводы
2 Pic следование влияния масштабного фактора на гладких образцах и деталях с геометрическими концентраторами напряжений постоянной форьш
2 1 Обзор экспериментальных исследований влияния масштабного фактора на предел выносливости стали
22 Теоретически анализ методов расчета пределов выносливости с учетом масштабного фактора
23 Материал и технология изготовления пульсаторных образцов
24 Методика проведения усталостных испытаний и обработка экспериментальных данных ИЗ
25 Результаты усталостных испытаний
26 Анализ результатов исследования влияния масштабного фактора для образцов с постоянной форлой концентратора напряжений "• ^ С т р
27 Вьшоды
3 Исследование влияния масштабного фактора на пульсатор-ных образцах с переменной формой концентратора нацря-лсений
51 Материал и технология изготовления пульсаторных образцов
32 Результаты усталостных испытаний образцов с переменной формой концентратора напрялсений
33 Статистическое исследование геометрических параметров сварных швов на пульсаторных образцах
34 Исследование механических свойств металла около-шовной зоны на пульсаторных образцах
35 Исследование дефектов поверхности сварных соединений Б зоне сплавления
36 Выводы
4 Разработка уточненной методики расчета пределов выносливости элементов крановых металлоконструкцрхй
41 Исследование параметров уравнения подобия усталостного разрушения для краностроительных сталей
42 Исследование параметров уравнения подобия усталостного разрушения для металла околошовной зоны
43 Методика расчетной оценки влияния дефектов поверхности Б зоне зароладения усталостной трещины на пределы выносливости элементов металлоконструкций
44 Проверка методики расчетной оценки влияния геометрических параметров элемента металлоконструкции на его предел выносливости на основе экспериментальных данных ^ Стр
45 Влияние локальных пластических деформаций металла расчетной зоны на изменение его механических свойств
46 Выводы
5 Экспериментально-теоретическое исследование пределов выносливости сварных соединений
51 Методика экспериментального исследования и характеристики пульсаторных образцов
52 Результаты усталостнык испытаний пульсаторных образцов
53 Расчетное определение пределов выносливости и сравнение их с результатами эксперимента
54 Алгоритм расчета пределов выносливости сварных соединений элементов крановых металлоконструкций по предложенной методике
55 Технико-экономическая эффективность применения расчетного способа определения пределов выносливости элементов крановых металлоконструкций
56 Выводы
6 Основные выводы
Введение:
Усталостные разрушения крановых металлоконструкций могут полностью нарушать цикл основного производства и создавать опасную для 7шзни людей ситуацию /15,33/. Одним из путей увеличения надехшости грузоподъемных машин, работающих в условиях интенсивной эксплуатации, является совершенствование методов расчета их металлоконструкций на сопротивление усталости.Существующие методы расчета металлоконструкций кранов базируются на величинах эффективных коэффициентов концентрации напряжений /66,69,82,157,203 и др. / , установленных по результатам усталостных испытаний пульсаторных образцов с сохраненной прокатной поверхностью. Это образцы, которые имитируют типовые соединения элементов металлоконстрз^сций и иглеют ограниченные размеры по сравнению с листовыми конструкциями. Кроме того, между пульсаторными образцами и натурныгж-сварными соединениягм всегда имеется конструктивно-технологическое различие, обусловленное качеством изготовления и особенностями установленной технологии сварки в лаборатории и на заводе. Это приводит к несовпадению величин пределов выносливости однотипных соед1шений, изготовленных в различных з'-словиях. Считалось, что при расчете металлоконструкций масштабный эффект можно не зачитывать /15/ , если испытанные на усталость образцы сварных соединений имитируют форму соединения и шлеют размеры, при которых остаточные напряжения, вызванные Б них усад1сой металла при охладцении сварных швов, достигают тех же значений, как и в натурных конструкциях. При этом пульсаторные образцы должны иметь прокатную поверхность и сварные швы, выполненные также, как"в натурных конструкциях. Однако анализ результатов экспериментальных исследований показьшает,что эти условия обычно не выполняются и даже их выполнение может ока- 6 заться недостаточшм /18,23,47,75,87,115,116,193,205/.Таким образом, существующий в краностроении метод расчета металлоконструкций /69,82 и др./ имеет определенные недостатки, связанные с конструктивным, технологическим и масштабным отличием пульсаторных образцов от натурных элементов, что является неизбежным из-за большой длительности и трудоемкости получения новых усталостных характеристик /138/ и практической невозможности их определения для всех типоразмеров сварных соединений и марок сталей, применяеглых в крановых металлоконструкциях.Переход на расчетные методы оценки пределов выносливости /40, 103,104,108/ помогает избежать отмеченных недостатков. Для практического применения таких методов улге шлеигся определенные предпосылки. Так, к настоящему дню накоплен немалый опыт в изучении конструктивно-технологических характеристик сварных соединений крановых металлоконструкций: геометрии швов /57,76,109 и др. / , и концентрацди напряжений около них /48,100,101 и др./ ,остаточных сварочных напряжений /8,88,105,119 и др. / , механических свойств металла околошовной зоны /2,19,106 и др . / .Однако одной из актуальных задач, решение которой необходимо для получения более совершенной расчетной методики определеьшя пределов выносливости для крановых металлоконструкций, является изучение и учет влияния размеров сварньк элементов конструкций в сочетании с другими присущрхми сварны1л соединениям конструктивно-технологическими факторами на усталость этих элементов. При этом особого внимания заслуживает рассмотрение влияния на усталость соединений острых дефектов на поверхности зоны сплавления, которые ранее не изучались и самостоятельно не учитывались в расчетах, Целью настоящей диссертационной работы является изучение вли- 7 яния размеров сварных соединений в сочетании с конструктивнотехнологическими факторами на проявление масштабного эффекта в элементах крановых металлоконструкций при циклическом нагружении, исследование характеристик металла, обусловливающих проявление масштабного эффекта, а такксе разработка расчетного метода оценки пределов выносливости с учетом размеров сварных соединений и качества поверхности металла в зоне образования усталостной трещины.Материал диссертации изложен в пяти разделах, В первом разделе анализируются результаты экспериментальных исследований напряженного состояния и усталости элементов сварных металлоконструкций, имеющих различные размеры,а также оцениваются методы расчетного определения пределов выносливости, учитывающие масштабный фактор. Исследуются зависимости конструк1'ивно-технологических характеристик от размеров сварных элементов крановых металлоконструкций в соответствии с действующими ГОСТами. На основан1Ш этих исследований выбирается базовая методика расчета и намечаются пути ее совершенствования.Во втором разделе на основе опубликованных данных и результатов собственных экспериментов исследуется влияние размеров на пределы выносливости гладких образцов и образцов с геометрически постоянной формой концентратора напряжений. Подтверадается наличие масштабного фактора и связь его с состоянием поверхности металла в зоне заролщения усталостной трещины. Устанавливаются значения коэффициентов А и В из уравнения подобия усталостного разрушения /29/ , необходимые для учета влияния масштабного фактора. Разрабатывается и экспериментально проверяется зависимость для оценки пределов ВЫНОСЛРШОСТИ и эф )^ективных коэффициентов концентрации напряжений с учетом влияния размеров концентра- 8 тора постоянной формы и состояния поверхности в зоне зарождения усталостной трещины.В третьем разделе проводр1тся комплексное исследование влияния длины сварного шва, как концентратора переменной формы на усталость элементов конструкций, вюхючившее усталостные испытания отошсенных образцов с различным ч1.1сяом поперечных наплавленных валиков, статистическое исследование геометрии швов, механических свойств металла околошовной зоны и дефектов поверхности металла в зоне сплавления.В четвертом разделе на основе теоретического анализа результатов усталостных испытаний пульсаторных образцов с постоянной формой концентратора, а также сварных соединений изучаются постоянные Л и В из уравнения подобия усталостного разрушения для краностроительных сталей. С помощью теоррш слабого звена и применения решений линейной механики разрушения разрабатывается методика расчетной оценки влияния дефектов поверхности в зоне зарождения усталостной трещины на пределы выносливости элементов металлоконструкций, которая затем проверяется по результатам экспериментальных исследований. Экспериментально оценивается изменение механических свойств металла в зоне концентратора постоянной формы на образцах, подверженных статическоь.1у и квазистатическому нагрузсениям. Использование полученных в данном разделе результатов позволяет уточнить базовую методику расчета усталостных характеристик элементов металлоконструкции кранов и пользоваться ею с дифференцированным учетом влияния дефектов поверхности металла в зоне сплавления.В пятом разделе на сварных образцах с повышенной концентрацией напряжений выполшется комплексная экспериментальная проверка всех теоретических решений и эьширических величин, полученных в 9 работе. Для этого на пульсаторных образцах из стали ЮХСЩ проводятся исследования геометрических параглетров швов, изменения механических свойств металла околошовной зоны, усталостные испытания и расчетное определение пределов выносливости. На основании этих исследований делается вывод о приемлемости предлагаемой метод1пш расчета, которая кратко излагается в виде блоксхемы с пояснениями для практического применения. Дается оценка технико-эконовжческой эффективности применения предлагаемого расчетного метода оцределения пределов выносливости крановых металлоко нет рукций.Данная работа является частью научно-исследовательской работы, выполняемой кафедрой nHvl ЛШ для завода Ш'О им. М.Кирова в соответствии с хоздоговором по теме i^ 403I0I от 26 декабря 1980 г .Автор считает своим приятныи! долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю к.т.н. доц. В.Н.Юшкевичу,научному консультанту к.т.н. доц. А.Соколову за весьма ценные замечания и советы, во гжогом способствовавшие улучшению хода работы над диссертацией; проф. М.М.Гохбергу за постожшую моральную поддержку, а также сотрудникам кафедры йШ и лабораторий ЛПИ, где проводились опыты, за оказанную помощь. - 10 I . ТЕОРЕТИЧЕСШ'Ш АНАЖЗ ВОПРОСА О ПРОЯВЛЕНИИ МС1ШГАБН0Г0 Й&ФЕКТА В УСТАЛОСТИ СВАРНЫХ МаАЛЛОКОНСТРУКЦЙ! Существующие методы расчета на сопротивление усталости металлоконструкций ряда машин и сооружений базируются на величинах эфд)ективных коэф(|)ициентов концентрации и пределах выносливости, установленных по результатам усталостных испытаний лабораторных (пульсаторных) образцов с сохраненной прокатной поверхностью /66,69,79,82,146,157 и д р . / . Как правило, эти образцы,имитирующие типовые соединения элементов металлоконструкций, имеют ограниченные размеры, особенно по сравнению с листовыми конструкциями, что может приводить к получехшю заниженных значений эффективных коэМшциентов концентрации и, следовательно, к расчетам натурных узлов не в запас прочности.Кроме расхождения в длинах зон концентрации напряжений, между лабораторными и натурныг-ш соединениями практически всегда тлеется и конструктивно-технологическое различие. Как правило, образцы изготовляются более качественно с применением технологии, традиционно сложившейся в данной лаборатории. Технологии же получения натурных узлов присуще большое многообразие, связанное с особенностями конструктивных решений, различием применяев^ шх толшдн и марок металла, технологической оснастки, условий выполнения сварочных работ и т .п . Все это приводит к несовпадению величин пределов выносливости даже однотипных сварных соединений, но изготовленнБк в различных условиях. Тшс, усталостные испытания одинаковых пульсаторных образцов, изготовленных на заводе и в лаборатории, дают расхождение пределов выносливости до 50^ не в пользу заводских соединений /104/ . - II Отмеченное различие в величинах пределов выносливости, обусловленное расхолщением геометрических размеров и конструктивно-технологическими особенностятли натурных сварных узлов, не учитывается в расчетах металлоконструкции из-за невозможности экспериментального определения значений эффективных коэффициентов концентрации для всех конструктивно-технологических вариантов выполнения сварных соединений и ограниченной мощности испытательных машин. В результате надежность некоторых расчетов на сопротивление усталости гложет оказаться недостаточной. Следовательно, для повышения точности расчетов натурных конструкций на сопротивление усталости необходимо корректировать величины эффективных коэффициентов концентрации, установленных по результатам усталостных испытаний лабораторных образцов, с учетом влияния абсолютных размеров.Б настоящей главе произведен анализ результатов экспериментальных исследований элементов сварных металлоконструкций, имеющих различные размеры, и методов расчетного определения пределов выносливости, учитывающих масштабный эффект, а также исследована зависимость конструтсгивно-технологических факторов от размеров сварных элементов крановых металлоконстрз^сций. Эти исследования выполнялись с целью проверки наличия масштабного эффекта в усталости сварных металлоконструкций, выбора базовой методики расчета пределов выносливости, зачитывающей влияние основных конструктивно-технологических факторов, и оценки степени влияния этих факторов на пределы выносливости сварных соединений, допускаемой действующими ГОСТа]*ди. - 12 I.I. Анализ результатов экспериментальных исследований элементов сварных металлоконструкции, имеющих разлрхчные размеры На сопротивление усталости образцов, деталей машин и конструкций наиболее существенное влияние оказывают концентрация напряжений, абсолютные размеры, качество, состояние и механические свойства поверхностного слоя металла, характер изменения рабочих напряжений и окружающая среда. Изучению влияния этих факторов, исследованию физической природы их воздействия и разработке расчетных методов оценки посвящены многочисленные экспериментальные и теоретические публикации /3,13,17,25,36,59,74,95,130 и др./.Как указывается в этих исследованиях, общие закономерности, определяющие выносливость основного металла, остаются справедлившш и Б отношении сварных соединений. Вместе с тем факторы, связанные с образованием соединений, не могут быть сведены лишь к одному из них, например к концентрации напрях'^ ений. Помимо концентрации напряжений, обусловленной формой соединения, процесс сварки вызывает изменение свойств металла околошовной зоны и порождает высокие остаточные напряжения. Указанные характеристики могут оказаться различныьш для образцов небольших размеров /199/- по сравнению с натурными конструкциями, что обусловливает проявление масштабного эффекта в усталости сварных крановых металлоконструкций. I.I.I. Концентрация напряжений и ее влияние на усталость сварных соединений В сварных элементах крановых металлоконструкпдй и образцах усталостные трещины чаще всего зарождаются по линии сплавления - 13 шва с основным металлом. Трещины обычно располагаются под прямым углом к поверхности соединяемых элементов. Это свидетельствует о том,что их развитие связано с влиянием нормальных напряжений /75/. Поэтому определение концентрации напряжений в данном месте представляет наибольший интерес.Распределение напряжений в сварных соединениях изучалось как расчетным /18,34,48,49/, так и экcпepимeнтaльны^'I путем - тензометрированием моделей /46,48/, поляризационно-оптическим методом /64,67,85,154,198 и др./ способами. Как показали исследования, наименьшую концентрацию напряжений создают стыковые соединения, наибольшую - нахлесточные с фланговыми швами, что соответствующим образом сказывается на их сопротивление усталости. Это подтверждается приведенными в табл.1.1.1 результатами исследования /88/ коэффициентов концентрации напряжений для разных типов сварных соединений при изгибе и пределов выносливости подобных типов образцов, испытанных при симметричном изгибе на базе 10 циклов до образования усталостной трещины глубиной 23 мм.Как показали результаты изучения коэффициентов концентрации напряжений в соединениях с лобовыми швами, представленные в табл.1.1.2 и в других источниках /52,88,154,181/, их величины существенно расходятся. В ряде случаев ( /147/ и табл.1.1.3) значения коэффициента концентрации напряжений оказьшаются очень ВЫС0КИШ1. При соотношениях геометрических размеров накладок и основных пластин, наиболее часто встречаюшдхся на практике в соединениях металлоконструкций кранов, коэффициенты концентрации у концов фланговых швов изменяются в пределах 1,8 . . . 3,2 / 88 / .В то же врег.ш по данным исследований /181/ методом конечных элементов установлено, что ^ ^ 1,32. Последнее не на]\лного лучше согласуется с результатами, приведенными в табл. I . I . I , которые получены на моделях поляризационно-оптическим методом /147/.Здесь в^ находится в пределах 1,7 . . . 2 ,3.Как показывают результаты усталостных испытаний образцов с геометрическими концентраторами напряжений, с увеличением концентрации предел выносливости снилсается / 7 5 / . Сварные соединения ведут себя подобным же образом. Однако это снижение сопротивления усталости сварных соединений происходит не только под влиянием концентрации напряжений, но и под воздействием других факторов, обусловленных образованием сварного соединения. Это подтверждает полученная в работе /154/ завистюсть меаду эффективныгл и теоретическшл коэф^шциентами концентрации напряжений в околошовной зоне для малоуглеродистой и низколегированной сталей (рис.1.1.4). В деталях машин эффективные коэффициенты концентра- 20 ции напряжений обычно меньше, чем теоретические, т,е,К3, а К =1,92,4 при &^ =135160 МПа /15,23/, для ряда малоуглеродистых сталей.Из этих данных можно сделать вьшод, что при низменном уровне переменного напршсения в накладках число циклов до разрушения - 22 TaSAttU,a l - i S ^ ПреЭелы бьщослцЬостц на.хлестоЧнЬ1Х tuS в(ра»цв е.,мл.Влияние абсолютных размеров соедтшения проявляется и в соедине1шях с поперечныгл расположением швов, в которых остаточные напряжения могут меняться в широких пределах /193/.Де Гармо /119/ установлено, что поперечные остаточные напряжения достигают максимума, начиная с длины стыкового шва 203 шл при толщине 25 мм. При ширине пластины 200 мм и толщине 26 мм поперечные остаточные напряжения близки к пределу текучести основного металла. Поэтои^ образцы сечением 200 х 26 мш и более будут показывать наименьшую долговечность.Для проверки этого предположения В.И.Труфяковыг»! /87,205/ испытывали сь на изгиб при сжФлетричном цикле напряжении плоские образцы со стьжовыми швами сечением: 70x16, 200x16, 85x26,300x26 и 200x46 мм, изготовленные из стали MI6C и выполненные автоматической сваркой; испытание прекраш,алось по достш е^нию трещиной длины 2 . . .3 ША, Во всех случаях усталостная трещина зарождалась по нарун{ной кромке шва в зонах наиболее высоких растягивающих остаточных напряжений. Результаты испытаний, приведенные в табл. I .I .IO, подтвердили предпололсение Де Гармо.Усталостная трещина может пойти от края пластины при одинаково приложенной нагрузке как для широкого, так и для узкого соединения. При этом скорость распространения усталостной трещьшы окажется разной из-за различного напряйсенного состояния у ее конца, что скакется на пределе вынослт-шости, оцределяемом по окончательному разрушению образца. Это вносит дополнительные трудности в изучение масштабного эфф'екта.Фудажтани / ISI / показал на пластинах различной толщины с боковой трещиной, что для плоских образцов толщиной 5 шл при росте усталостном трещины справеджто условие плоского дефорв-шрованного состояния, в то время как для толщшы 0,2 шл развитие трещины прорюходит при плоском напр}шенном состоянии. Для проме2{уточной толщшы наблюдается переход от плоской деформации к плоскому напряженному состоянию, цричем скорость роста трещины снижается. - 32 подход для тавровых и нахлесточных сварных соединений. Надо отметить, что до сих пор нет единого подхода к размеру, форме и расположению структурного элемента у концентратора напряжений: в одних работах он считается расположенньил на поверхности материала /49,98/, в других - ориентированным в глубину материала /72/ .Недостатком подхода, принятого в приведенных работах, является TaKsie то, что в нем не учитывается влияние конструктивно-технологических факторов, которые вместе с масштабным эффектом воздействуют на сопротивленг-^ Ее усталостному разрушению сварных соединений. Этот недостаток в какой-то мере устранен в другик известных решениях. Так, Н.О.Окерблал /61,62/, пользуясь диаграммой предельных напряжений в координатах б'^ д^х — б'^ '.л для сварных соед1шений, графо-аналитическим путем получил зависимость предела выносливости от концентрацир! напряжений, остаточных напршсений и изменения свойств металла околошовной зоны. Однако и Шй не было навдено связи между пределом выносливости и абсолютными размералш сварных элементов. Кроме того, полученные им завистлости содержат обобш,енные конструктивно-технологические факторы, характеристики которых не задаются количественно.1.2. Теоретический ана.лиз методов расчетного
