Влияние остаточных сварочных деформаций на работу фланцев под нагрузкой
|
Определим влияние остаточных сварочных деформаций на несущую способность фланцевых соединений. Как и ранее, будем рассматривать Т-образный фланец, стянутый двумя высокопрочными болтами (рис. 3). Исследуем два предельных случая работы Т-образного фланца: 1) Фланец плоский, т.е. не имеет остаточных сварочных деформаций (грибовидности). При затяжке болтов изгибные напряжения во фланце не возникают (рис. 3 а); 2) Фланец имеет начальную грибовидность, приводящую при затяжке болтов к появлению пластического шарнира в его средней зоне (рис. 3 б).  Для упрощения расчетов примем, что в обоих случаях фланец жестко защемляется затянутыми болтами. Это несколько снижает точность расчета, однако, для сравнительного анализа, такое допущение приемлемо. Рассмотрим различные этапы работы Т-образного фланца при действии на него нагрузки Pf. Деформации плоского фланца в упругой стадии работы uflel определятся как для защемленной балки  Граничное значение усилия Pfel, при котором начинается фибровая текучесть во фланце, определится как  Таким образом, максимальная величина упругого прогиба [uflel] для гладкого фланца найдется по формуле:  Дальнейшее деформирование происходит в упруго-пластической стадии и, в момент образования пластического шарнира, прогиб фланца будет равен  что в 2,222 раза больше его максимального упругого прогиба. При этом величина предельной нагрузки Pful составит  Работа фланца при наличии остаточных сварочных деформаций (грибовидности) более сложна. При затяжке болтов и закрытии зазора между фланцами, часть усилия предварительного натяжения болтов идет на изгибное деформирование фланцев (рис. 3). В результате этого, между фланцами, в их средней части, возникает реактивное усилие отпора  Оставшаяся часть предварительного натяжения болтов обжимает фланцы в зоне отверстий с усилием  Деформирование такого фланца начинается только в том случае, когда внешняя нагрузка превысит усилие Vfl, т.е. при Pf ≥ Vfl и происходит в два этапа. На первом этапе работа фланца в зоне болтов протекает упруго, а в средней части — в пластической стадии. Этот этап продолжается до нагрузки  Деформации при этом растут линейно, до величины  На втором этапе фланец деформируется нелинейно и, при нагрузке  Вызывающей в зоне болтов появление шарниров пластичности, прогиб фланца будет равен,  что в два раза больше, чем для плоского (гладкого) фланца, не имеющего грибовидности. Кривые деформирования гладкого фланца и фланца с предельной грибовидностью, представлены на рис. 4.  Сравнивая предельные нагрузки для гладкого и грибовидного фланцев (рис. 4), можно заключить, что остаточная грибовидность не влияет на предельную несущую способность фланца, но увеличивает его деформативность до двух раз. Развитие шарнира пластичности во фланце при затяжке болтов начнется когда начальная грибовидность превысит некоторое предельное значение  При меньшей грибовидности, а именно при  деформирование фланца будет происходить упруго, а в диапазоне Uinel < uin < Uinul — упругопластически. Очевидно, что при какой-то промежуточной грибовидности, приводящей при затяжке болтов к появлению в средней части фланца упруго-пластических деформаций, кривая деформирования такого фланца будет занимать некоторое промежуточное положение, как это показано на рис. 4. Анализируя графики «деформация-нагрузка» для фланцев с различной грибовидностью, заметим следующее: — отношение предельной деформации гладкого и грибовидного фланца к максимальной упругой постоянно для обоих случаев, т.е.  — отношение предельной деформации фланца к его деформации [uflel], найденной в предположении абсолютно упругой работы стали, также постоянно для обоих случаев  Используя полученные зависимости, можно приближенно найти деформации грибовидного фланца при окончании его упругой работы в зоне болтов и в момент наступления состояния предельного равновесия:  Для случая uin < [uinel], величина реактивного отпора найдется по формуле:  При этом Vfl < 0,666 . Если uinel < uin < uinul, реактивный отпор фланцев находится как реакция консоли, деформирующейся в упругопластической стадии на величину uin. При этом 0,666 < Vfl < 1,0. На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы: 1. При приварке фланцев в них возникают остаточные сварочные деформации (грибовидность), величина и форма которых зависит от толщины фланцев, порядка наложения сварных швов, режима сварки и т.д. 2. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, грибовидность фланцев, при допущении пластических деформаций, не влияет на их предельную несущую способность по первому предельному состоянию. Кроме того, наличие грибовидности в ряде случаев может положительно сказаться на работе самих фланцев и соединяющих их болтов при циклических нагрузках (эффект внутреннего предварительного напряжения). 3. Допущение остаточных сварочных деформаций позволяет избежать трудоемких операций по предотвращению или правке грибовидности. 4. При допущении грибовидности во фланцах, следует принимать определенные меры при сварке и монтажной сборке конструкций с целью предотвращения нежелательных форм остаточных сварочных деформаций (порядок наложения сварных швов, последовательность натяжения высокопрочных болтов, контроль их натяжения и т.д.). |
