На что в инженерной практике рассчитывают прочность лобового шва нахлесточного соединения

Электронная библиотека

Расчет угловых швов всех типов (см. рис. 2.3) унифицирован и производится по единым формулам. При действии силы условия прочности имеют вид

Формулы (2.3) и (2.4) относятся непосредственно к фланговым швам, а к лобовым швам применяются условно.

Расчет на прочность фланговых швов

Основными напряжениями фланговых швов при нагружении силой F являются касательные напряжения (τ) в сечении (рис/ 2.8). По длине шва напряжения τ распределены неравномерно. На концах они больше, чем в середине шва. С увеличением длины фланговых швов и разности податливостей соединяемых элементов возрастает неравномерность распределения напряжений, поэтому длина этих швов ограничена. Расчет таких швов выполняют по среднему напряжению τ:

В тех случаях, когда короткие фланговые швы не достаточны для выполнения условия равнопрочности, соединение усиливают прорезными швами (рис. 2.9) или лобовым швом. Условие прочности (2.5) соединения с прорезным швом при примет вид:

где – длина прорезного шва.

Рис. 2.8. Соединение фланговыми швами

Фланговые швы следует располагать так, чтобы они были нагружены равномерно и не вызывали изгиба соединяемых элементов. Поэтому сварку симметричных элементов следует проводить симметрично расположенными швами.

При сварке несимметричных профилей (рис. 2.10) предполагается, что сила F проходит через центр тяжести поперечного сечения несимметричного профиля. В данном случае нагрузка на фланговые швы распределяется по правилу рычага:

где и – нагрузки, действующие на швы; и – расстояние от центра тяжести поперечного сечения несимметричного профиля до центров тяжести сечений швов.

Рис. 2.9. Соединение фланговыми и прорезным швами

Рис. 2.10. Соединение несимметричных профилей

Швы рассчитывают по соответствующим нагрузкам, следовательно, длины швов будут пропорциональны этим нагрузкам. Для равнобоких уголков приближенно принимают:

где – общая длина фланговых швов.

Если соединение нагружено моментом (М), действующим в плоскости стыка соединяемых элементов (рис. 2.11), то напряжение от момента распределяется по длине флангового шва неравномерно, а их векторы направлены различно (рис. 2.11, а). Напряжения пропорциональны плечам и перпендикулярны к ним.

Рис. 2.11. Нагружение фланговых швов моментом

Для сравнительно коротких швов ( ), распространенных на практике, условно полагают, что напряжения направлены вдоль фланговых швов и распределены по длине швов равномерно (рис. 2.11, б). В данном случае проводится приближенный расчет на прочность по формуле:

Расчет на прочность лобовых швов

Напряженное состояние лобового шва неоднородно. Происходит значительная концентрация напряжений, связанная с резким изменением сечений соединяемых элементов в месте сварки и эксцентричным приложением нагрузки. Основными являются касательные напряжения (τ) в плоскости стыка элементов и нормальные напряжения (σ) в перпендикулярной плоскости.

В инженерной практике принято рассчитывать на прочность лобовые швы только по касательным напряжениям (τ). За расчетное сечение так же, как и во фланговых швах, принимают сечение по биссектрисе прямого угла (см. рис. 2.5). Как подтверждает практика, именно по этому сечению происходит разрушение шва. В данном случае при действии силы F (см. рис. 2.3, а; здесь длина шва l равна ширине соединяемых элементов b) условие прочности имеет вид (2.3) или (2.4).

Рис. 2.12. Нагружение лобового шва моментом М

При нагружении лобового шва моментом M, действующим в плоскости стыка соединяемых элементов (рис. 2.12), расчет на прочность носит также условный характер. Условие прочности на срез в данном случае записывают по аналогии с условием прочности на изгиб:

При совместном действии силы (F) и момента (M) условие прочности лобового шва имеет вид:

Расчет на прочность комбинированных швов

Расчет на прочность комбинированных соединений лобовыми и фланговыми швами носит приближенный характер и основан на следующих допущениях:

· швы работают независимо;

· фланговые швы короткие и передают только силы, направленные вдоль своей оси;

· катет шва (k) мал по сравнению с размером b.

При нагружении комбинированных швов силой F (рис. 2.13, а) условие прочности имеет вид:

При нагружении комбинированных швов моментом (M) (рис. 2.13, б) в соответствии с принятыми допущениями внешний момент (M) уравновешивается парой сил во фланговых швах и моментом лобового шва :

При формула (2.9) принимает вид:

Ввиду своей простоты формула (2.10) может быть использована и при проектном расчете.

Рис. 2.13. Комбинированные соединения лобовым и фланговыми швами

При совместном действии на комбинированный шов силы (F) и момента (M) условие прочности имеет вид:

где – касательное напряжение от действия силы F, определяемое по формуле (2.8); – касательное напряжение от действия момента (M), определяемое по формулам (2.9) или (2.10).

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Источник

Расчет соединений внахлёстку.

ЛЕКЦИЯ № 12

Соединения

Детали объединяются в машину посредством соединений.

Соединения состоят из соединительных деталей и прилегающих частей соединяемых деталей, форма которых подчинена задаче соединения. В отдельных конструкциях специальные соединительные детали могут отсутствовать.

Классификация соединений

Все соединения делятся на:

· Неразъёмные, разборка которых возможна лишь при разрушении соединяющих или соединяемых деталей (сварные; заклепочные; паяные; клеевые; с гарантированным натягом);

· Разъёмные, позволяющие разборку без разрушения. К разъемным соединениям относят: резьбовые; клиновые; штифтовые; шпоночные; зубчатые (шлицевые); профильные.

Неразъёмные соединения

Сварные соединения

Сварку (дуговую электросварку) изобрел в 1882 году российский инженер Н.И. Бенардос. С тех пор технология процесса значительно усовершенствована. В современном машиностроении применяются разнообразные виды сварки: электрическая, газовая, диффузионная и др. Наибольшее распространение получила электрическая сварка, основными видами которой являются дуговая и контактная.

При дуговой сварке металл в зоне соединения доводится до расплавленного состояния. И после затвердения металла образуется прочное соединение.

Прочность сварного шва практически не отличается от монолита, освоена сварка всех конструкционных материалов, включая алюминий и неметаллы.

Достоинства сварных соединений:

· высокая экономичность: малая трудоёмкость; сравнительная дешевизна оборудования;

· герметичность и плотность соединения;

· возможность сварки толстых профилей.

Недостатки сварных соединений:

· при низком качестве шва возникают температурные повреждения материала;

· из-за неравномерности нагрева возникает коробление деталей.

· прочность сварного соединения во многом определяется качеством сварки (квалификацией сварщика).

Классификация сварных соединений (швов)

По взаимному расположению соединяемых элементов

(ГОСТ 5264-80 «Швы сварных соединений, ручная дуговая сварка», ГОСТ 14771-76 «Швы сварных соединений, сварка в защитных газах»).

	Стыковое соединение (С) – это сварное соединение двух деталей, расположенных в одной плоскости и примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями. Оно наиболее распространено в сварных конструкциях, поскольку имеет ряд преимуществ перед другими видами соединений
	Нахлесточное соединение (Н) – это сварное соединение, в котором соединяемые элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга.
	Угловое соединение(У) – это сварное соединение двух элементов, расположенных под углом друг к другу и сваренных в месте примыкания их кромок
	Тавровое соединение (Т) – это соединение, в котором к боковой поверхности одного элемента примыкает под углом и приварен торцом другой элемент. Как правило, угол между элементами прямой.
	Торцовое соединение (Тр) – это соединение, в котором боковые поверхности элементов примыкают друг к другу.

По ориентации относительно приложенных сил

Фланговый шов	Лобовой шов	Комбинированный шов	Косой шов

По внешней форме (рис.1)

Выпуклый шов увеличивает нормальное сечение шва, но является причиной повышенной концентрации напряжений. Вогнутые швы несколько снижают концентрацию напряжений. Несмотря на меньшее нормальное сечение, они лучше воспринимают переменные нагрузки. Вогнутость шва достигается механической обработкой, что является дополнительной операцией. Такие швы применяют только в тех случаях, когда это экономически целесообразно

Рис.1. Форма сварного шва

По протяженности

Расчет сварных швов

Важнейшей задачей проектирования сварных конструкций является обеспечение равнопрочности шва и соединяемых им деталей, поэтому основным критерием работоспособности сварных соединений является прочность, причем предполагается, что напряжения в опасных сечениях распределены равномерно.

1. Расчет стыковых соединений.

Стыковые соединения наиболее совершенны из всех сварных соединений. Они просты, надежны. Составная деталь получается близкой к цельной как по форме, так и по прочности. Обычно стыковые соединения выполняются лобовыми швами.

Расчетшвов стыковых соединений (рис.2) производится

на растяжение (при действии растягивающей силы F) . (1)

на изгиб (при действии изгибающего момента М_изг) . (2)

При одновременном действии растягивающей силы F и изгибающего момента М_изг

(3)

Допускаемые напряжения шва , и принимаются в размере 90% от соответствующих допускаемых напряжений материала свариваемых деталей. допускаемое напряжение материала сварного шва

Рис.2. Стыковое соединение

Расчет соединений внахлёстку.

Нахлёсточные соединения (рис.3) выполняются угловыми швами, которые бывают лобовыми, фланговыми и комбинированные.

Рис.3. Соединение внахлёстку Рис.4. Опасное сечение

Угловые швы в инженерной практике рассчитывают только по касательным напряжениям . За расчётное сечение принимают биссектрису m-m (это опасное сечение), где обычно наблюдается разрушение (рис.4).

Расчет лобового шва . (4)

Фланговые швы характерны неравномерным распределением напряжений, поэтому их рассчитывают по средним касательным напряжениям.

Расчет флангового шва (5)

Расчет комбинированных лобовых и фланговых швов

Проводится на основе принципа распределения нагрузки пропорционально несущей способности отдельных швов

При действии силы F касательные напряжения равны:

. (6)

Если действует изгибающий момент M_изг, то

. (7)

При совместном действии силы и момента касательные напряжения складываются

. (8)

Косые швы ( рис.5) рассчитываются аналогичным образом. Нагрузка Q раскладывается на проекции в продольном и нормальном направлениях к шву, а далее выполняются расчёты лобового и флангового швов.

Заклёпочные соединения

Соединение образуют расклепыванием стержней заклепок, вставленных в отверстия деталей (рис. 6). При расклепывании вследствие пластических деформаций образуется замыкающая головка, а стержень заклепки заполняет зазор в отверстии. Силы, вызванные упругими деформациями деталей и стержня заклепки, стягивают детали. Относительному сдвигу деталей оказывают сопротивление стержни заклепок и частично силы трения в стыке.

Отверстия в деталях продавливают или сверлят. Сверление менее производительно, но обеспечивает повышенную прочность. При продавливании листы деформируются, по краям отверстия появляются мелкие трещины, а на выходной стороне отверстия образуется острая кромка, которая может вызвать подрез стержня заклепки. Поэтому продавливание иногда сочетают с последующим рассверливанием.

Рис. 6. Формирование заклепочного соединения

Клепку можно производить вручную или машинным способом (пневматическими молотками, прессами и т.п.). Машинная клепка дает соединения повышенного качества, так как она обеспечивает однородность посадки заклепок и увеличивает силы сжатия деталей. Стальные заклепки малого диаметра (до 8…10 мм) и заклепки из цветных металлов ставят без нагрева (холодная клепка). Стальные заклепки диаметром больше 8…10 мм ставят горячим способом (горячая клепка). Нагрев заклепок перед постановкой облегчает процесс клепки и повышает качество соединения (достигаются лучшее заполнение отверстия и повышенный натяг в стыке деталей, связанный с тепловыми деформациями при остывании).

Дата добавления: 2018-05-13 ; просмотров: 1429 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Сварные соединения

При сборке изделий используют различные сварные швы. В зависимости от конструктивного исполнения их называют стыковыми и обозначают С1….С39, угловыми с обозначением У1…У9, тавровыми (Т1…Т9), нахлесточными (Н1,Н2).

Расчет на прочность.

Стыковые соединения (рис.4.14) являются наиболее простыми и надежными. В зависимости от толщины соединяемых элементов соединение выполняют с обработкой или без обработки кромок, с подваркой и без подварки с другой стороны.

Рис.4.14 Стыковые сварные швы.

Стыковые соединения могут разрушаться по шву, месту сплавления металла шва с металлом детали, сечению по основному металлу в зоне термического влияния. Такой зоной называют прилегающий к шву участок детали, в котором из-за нагревания при сварке изменяются механические свойства металла. Понижение механических свойств в зоне термовлияния особенно значительно при сварке термически обработанных (окончательно) и наклепанных сталей. Для таких соединений рекомендуют термообработку и в некоторых случаях наклеп после сварки. Установлено, что при качественном выполнении сварки разрушение стальных деталей происходит преимущественно в зоне термовлияния. Поэтому расчет прочности стыкового соединения принято выполнять по размерам сечения детали в этой зоне. Возможное снижение прочности деталей из-за сварки учитывают при назначении допускаемых напряжений. Например, при расчете полосы, сваренной встык (рис. 4.15)

Сваренная полоса

Отношение [s‘] к допускаемому напряжению при растяжении [s]_р является коэффициентом прочности сварного соединения

Значение j колеблется в пределах 0,5. 1,00, т.е. стыковое соединение почти равнопрочно с соединяемыми деталями. В тех случаях, когда требуется повысить прочность соединения применяют косые швы.

Расчет косого шва выполняют по формуле (4-29), где [s‘] =[s]_р. Разрыв соединения происходит поперек полосы фактически по основному металлу.

Выполняется с помощью углового шва (рис. 4.16). Различают нормальные, вогнутые, выпуклые угловые швы. Внешние параметры соединения- k— катет; h— высота.

Для нормального шва h= ksin 45°. По условиям технологии k³ 3мм. Обычно катет равен толщине листа, т.е. k= d.

Основными напряжениями фланговых швов (рис. 4.16,г) являются касательные напряжения t в сечении m-m. По длине шва t распределены неравномерно. На концах они больше. Эта особенность объясняется разной податливостью (упругостью) соединяемых деталей и шва.

В практике длина фланговых швов ограничена условием l£ 50k. Расчет таких швов приближенно выполняют по среднему сечению, а условие прочности записывается в форме (двухсторонний шов)

Если короткие фланговые швы не обеспечивают равнопрочность соединения, то их добавляют прорезными швами или лобовым швом.

Условие прочности с прорезными швами (рис.4.16,д) записывается в форме

Рис. 4.16. Нахлесточные соединения:

Если одна из соединяемых деталей асимметрична, то расчет на прочность производят с учетом нагрузки, воспринимаемой каждым швом.

В случае нагружения соединения изгибающим моментом (рис.4.17,а) напряжения рапределяются по длине шва неравномерно, а их векторы направлены различно. Неравномерность эта тем больше, чем больше отношение l/b. В общем случае максимальные напряжения можно определить по формуле

Рис. 4.17. Сварные соединения с действующими нагрузками:

а) 2 фланговых шва, нагруженных изгибающим моментом; б) соединение с лобовым и 2-мя фланговыми швами; в) тавровое соединение со стыковым швом и разделкой кромок, нагруженное силой и изгибающим моментом, направленным вдоль соединяемых кромок; г) тавровое соединение с угловым швом без разделки кромок, нагруженное силой и изгибающим моментом, направленным вдоль соединяемых кромок; д) закрепление трубы угловым швом в доске трубной; е) труба, приваренная угловым швом по всему периметру.

Для сравнительно коротких фланговых швов (l

Напряженное состояние лобовых швов неоднородно. При резком изменении сечения напряжения существенно возрастают в месте сварки и при эксцентричном приложении нагрузки. В инженерной практике

принято лобовые нахлесточные швы рассчитывать только по касательным напряжениям, т.е.

Все угловые швы на прочность рассчитываются по такой же формуле, что и в случае лобового шва.

Если лобовой шов (рис. 4.16,б) нахлесточного соединения нагружен моментом, действующим в плоскости соединяемых на длине b деталей, то

Для нахлесточного соединения, выполненного в форме лобового и 2-х фланговых швов, нагруженного растягивающей силой F и моментом M, действующими по плоскости полос (рис. 4.17,б), касательные напряжения от момента можно вычислить с помощью выражения

Напряжения от силы F определяют по формуле

При этом должно выполняться неравенство

Рассмотрим тавровое соединение, нагруженное силой F и моментом М, в котором элементы расположены во взаимно- перпендикулярных плоскостях.

Это соединение выполняют стыковым швом с разделкой кромок (4.17,в) или угловыми швами (рис. 4.17,г) без разделки кромок.

s= 6М/(d l 2 )+ F/(d l) £ [s‘], (4-40)

Труба может привариваться угловым швом по всему периметру торцем к какой-либо стенке (рис. 4.17,е). Прочность крепления трубы нагруженной изгибающим и крутящим моментами, рассчитывают следующим образом.

Напряжения от крутящего момента

Напряжения в шве от изгибающегомомента

Стыковая контактная сварка при правильном выполнении обеспечивает равнопрочность соединения. Поэтому можно не выполнять специальных расчетов прочности соединения. Если же из-за разогрева металла снижаются его характеристики, то допускаемые напряжения снижают с учетом уменьшения прочности.

Точечная контактная сварка (рис. 4.18) применяется преимущественно для соединения деталей из тонкого листового материала при отношении толщин £ 3. Диаметр сварной точки выбирают в зависимости от толщины меньшей из свариваемых деталей

d=1,2d+ 4 мм при d£ 3мм

d=1,5d+ 5 мм при d> 3мм.

Минимальный шаг t ограничивается явлением шунтирования тока ранее сваренной точкой. Расстояние от кромок t₁ и t₂ нормируют с учетом технологических и силовых факторов. Обычно принимают

Соединения точечной сваркой работают примущественно на срез. При расчете полагают, что нагрузка распределяется равномерно по всем точкам

где z— число сварных точек; i- число плоскостей среза.

Точечная контактная сварка:

При нагружении точечных сварных соединений моментом в плоскости стыка деталей расчетную точку и ее нагрузку определяют так- же, как и для заклепочных соединений или соединений с болтами, поставленными без зазора.

Точечное соединение из-за высокой концентрации напряжений плохо работает при переменных нагрузках. Повышенные напряжения образуются как в сварных точках, так и в самих деталях в зоне шва. Такие соединения чаще работают не как силовые, а связующие.

Шовная сварка рассчитывается на напряжения среза

Прочность сварного соединения зависит от ряда факторов:

— качества основного металла;

— характера действующих нагрузок;

— дефектов при сварке (подрезы, шлаковые включения, газовые раковины, непровары корня шва. ).

На рис. 4.19, 4.20 показаны дефекты при сварке.

Дефекты сварного шва:

1- подрез; 2- шлак; 3- газовая пора;

Дефекты в сварном соединении теплообменной трубы и доски трубной.

(непровар).

Для переменных нагрузок допускаемые напряжения, взятые из таблицы 4.2, понижают умножением на коэффициент g, определяемый из выражения

g= 1/[(0,6К_эф± 0,2)- (0,6К_эф 0,2)R]£ 1, (4-47)

где R= s_min/s_max или R= t_min/ t_max— коэффициент асимметрии цикла напряжения; К_эф— эффективный коэффициент концентрации напряжений.

Верхние знаки- при растягивающем наибольшем по абсолютному значению напряжении, а нижние- при сжимающем.

Если при вычислении g> 1, то принимают g=1.

Допускаемые напряжения в сварных швах

Примечание. [s]_р= s_т/ s- допускаемое нгапряжение на растяжение при статических нагрузках. Для металлических конструкций запас прочности s= 1,4. 1,6.

Источник