Содержание к диссертации
Стр.
Введение 5
1. Теоретический анализ вопроса о проявлении масштабного
эффекта в усталости сварных металлоконструкций Ю
Анализ результатов экспершлентальных исследований элементов сварных металлоконструкций, имеющих различные размеры 12
Теоретический анализ методов расчетного определения пределов выносливости сварных соединений с учетом масштабного эффекта 31
Зависимость конструктивно-технологических факторов от размеров сварных элементов металлоконструкций 39
Выводы 73
2. Исследование влияния масштабного фактора на гладких
образцах и деталях с геометрическими концентраторами
напряжений постоянной формы 75
Обзор экспериментальных исследований влияния масштабного фактора на предел выносливости стали 75
Теоретический анализ методов расчета пределов выносливости с учетом масштабного фактора 86
Материал и технология изготовления пульсаторных образцов 102
Методика проведения усталостных испытаний и обработка экспериментальных данных ИЗ
Результаты усталостных испытаний 118
Анализ результатов исследования влияния масштабного фактора для образцов с постоянной формой концентратора напряжений 122
" 3 " Стр.
2.7. Выводы 127
3. Исследование влияния масштабного фактора на пульсатор-
ных образцах с переменной формой концентратора напря
жений 128
Материал и технология изготовления пульсаторных образцов 128
Результаты усталостных испытаний образцов с переменной формой концентратора напряжений 131
Статистическое исследование геометрических параметров сварных швов на пульсаторных образцах 134
Исследование механических свойств металла околошовной зоны на пульсаторных образцах 137
Исследование дефектов поверхности сварных соединений в зоне сплавления 142
Выводы 147
4. Разработка уточненной методики расчета пределов вынос
ливости элементов крановых металлоконструкций 148
Исследование параметров уравнения подобия усталостного разрушения для краностроительных сталей..148
Исследование параметров уравнения подобия усталостного разрушения для металла околошовной зоны..151
Методика расчетной оценки влияния дефектов поверхности в зоне зарождения усталостной трещины на пределы выносливости элементов металлоконструкций. 162
Проверка методики расчетной оценки влияния геометрических параметров элемента металлоконструкции на его предел выносливости на основе экспериментальных данных 170
4 Стр.
Влияние локальных пластических деформаций металла расчетной зоны на изменение его механических свойств 175
Выводы 186
5. Экспериментально-теоретическое исследование пределов
выносливости сварных соединений 187
Методика экспериментального исследования и характеристики пульсаторных образцов 187
Результаты усталостных испытаний пульсаторных образцов 193
Расчетное определение пределов выносливости и сравнение их с результатами эксперимента 197
Алгоритм расчета пределов выносливости сварных соединений элементов крановых металлоконструкций
по предложенной методике 200
Технико-экономическая эффективность применения расчетного способа определения пределов выносливости элементов крановых металлоконструкций 203
Выводы 206
6. Основные выводы 208
Библиография 211
Приложения 231
Введение к работе
Усталостные разрушения крановых металлоконструкций могут полностью нарушать цикл основного производства и создавать опасную для жизни людей ситуацию /15,33/. Одним из путей увеличения надежности 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 металлоконструкций и имеют ограниченные размеры по сравнению с листовыми конструкциями. Кроме того, между пуль-саторными образцами и натурными'сварными соединениями 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 соединений, изготовленных в различных условиях. Считалось, что при расчете металлоконструкций масштабный эффект можно не учитывать /15/, если испытанные на усталость образцы сварных соединений имитируют форму соединения и имеют размеры, при которых остаточные напряжения, вызванные в них усадкой металла при охлаждении 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 показывает,что эти условия обычно не выполняются и даже их выполнение может ока-
заться недостаточным /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, применяемых в крановых металлоконструкциях.
Переход на расчетные методы оценки пределов выносливости /40, 103,104,108/ помогает избежать отмеченных недостатков. Для практического применения таких методов уже имеются 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 концентрации 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 определения пределов выносливости для крановых металлоконструкций, является изучение и учет влияния размеров сварных элементов конструкций в сочетании с другими присущими сварным 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 конструктивно-технологическими факторами на проявление масштабного эффекта в элементах крановых металлоконструкций при циклическом нагруже-нии, исследование характеристик металла, обусловливающих проявление масштабного эффекта, а также 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 конструктивно-технологических характеристик от размеров сварных элементов крановых металлоконструкций в соответствии с действующими ГОСТами. На основании 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. Подтверждается наличие масштабного фактора и связь его с состоянием поверхности металла в зоне зарождения 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 выносливости и эффективных коэффициентов концентрации напряжений с учетом влияния размеров концентра-
-8.-
тора постоянной формы и состояния поверхности в зоне зарождения усталостной трещины.
В третьем разделе проводится комплексное исследование влияния длины сварного шва, как концентратора переменной формы на усталость элементов конструкций, включившее усталостные испытания отожженных образцов с различным числом 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 А и В из уравнения подобия усталостного разрушения для краностроительных сталей. С помощью теории 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 статическому и квазистатическому нагружениям. 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 выполняется комплексная экспериментальная проверка всех теоретических решений и эмпирических величин, полученных в
работе. Для этого на пульсаторных образцах из стали І0ХСВД проводятся исследования геометрических параметров швов, изменения механических свойств металла околошовной зоны, усталостные испытания и расчетное определение пределов выносливости. На основании этих исследований делается вывод о приемлемости предлагаемой методики расчета, которая кратко излагается в виде блок-схемы с пояснениями для практического применения. Дается оценка технико-экономической эффективности применения предлагаемого расчетного метода определения пределов выносливости крановых ме-таллоко нет рукций.
Данная работа является частью научно-исследовательской работы, выполняемой кафедрой ПЇМ ЛПИ для завода ИГО им. С.М.Кирова в соответствии с хоздоговором по теме Jfc 403I0I от 26 декабря 1980 г.
Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю к.т.н. доц. В.Н.Юшкевичу,научному консультанту к.т.н. доц. С.А.Соколову за весьма ценные замечания и советы, во многом способствовавшие улучшению хода работы над диссертацией; проф. М.М.Гохбергу за постоянную моральную поддержку, а также сотрудникам кафедры ШМ и лабораторий ЛПИ, где проводились опыты, за оказанную помощь.
