Спосіб розрахунку на витривалість зварних вузлів мостових конструкцій за локальними напруженнями

Реферат: Спосіб розрахунку зварних вузлів мостових конструкцій на витривалість за локальними напруженнями включає в себе побудову скінченноелементної моделі мостової конструкції, визначення локальних напружень в зварних вузлах, призначення розрахункових характеристик опору втомі. Будують скінченноелементну модель мостової конструкції із "абсолютно жорсткими тілами" у вигляді плоских перерізів, що дозволяє визначати локальні напруження з врахуванням просторової роботи всієї конструкції. Визначають в елементах локальні напруження на відстані 0,17t (t - товщина основного металу) від лінії сплавлення зварного шва. Використовуючи теоретичні коефіцієнти концентрації напружень α 0.17t, здійснюють переведення кривих втоми із номінальних напружень в локальні. UA 101853 U (12) UA 101853 U UA 101853 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до розрахункових методик визначення ресурсу зварних конструкцій споруд транспортної інфраструктури. На сьогоднішній день існує два основні методи розрахунку зварних вузлів конструкцій на витривалість за локальними напруженням [1]: метод напружень в "ефективному концентраторі" (Effective notch stress approach); метод екстраполяції напружень в "гарячу точку" (Hot spot stress approach). Ці методи застосовуються разом із методом скінченних елементів. Метод напружень в "ефективному концентраторі" полягає у введенні фіктивного радіуса в місці переходу від металу шва до основного металу, а також в корені шва в разі неповного проплавлення шва. Фіктивний радіус дозволяє визначати величини локальних напружень у зварному з'єднанні, уникаючи напруження, що з'являються від локальної геометричної невизначеності в зоні лінії сплавляння шва або в корені шва. Визначення даного радіуса базується на теорії Г.Нейбера. На фіг. 1 зображена схема зварного з'єднання з введенням фіктивного радіуса 1 в зонах переходу від основного металу 2 до металу шва 3. Недоліком вказаного методу є те, що вона має певні обмеження при розрахунках у тривимірній постановці. Дана модель вимагає використовувати дуже малі за розмірами скінченні елементи (менш ніж 0,1мм) в зонах введення фіктивних радіусів, що призводить до використання великої кількості елементів. Для чисельних обчислень це займає багато часу при багатоваріантному опрацюванні різних схемно-конструктивних рішень зварних вузлів на стадії проектування мостів. Метод екстраполяції напружень в "гарячу точку" оснований на екстраполюванні поверхневих напружень через точки на заданій відстані від лінії сплавлення шва. Згідно з цим методом при розрахунках локальних напружень уникають напруження, пов'язані з геометричною формою зварного шва, і враховують лише напруження, що виникають від загальної геометричної форми елементів вузла. На фіг. 2 зображена схема екстраполяції поверхневих напружень 1 в "гарячу точку" 2 в зоні зварного з'єднання через точки на заданій відстані від лінії сплавлення шва 3. Недоліком вказаного методу є потреба у процедурі обчислень множини точок на різних відстанях від лінії сплавлення шва, що при розрахунку зварного вузла на витривалість ускладнює процедуру пошуку в ньому потенційно небезпечних зон (зон утворення тріщин втоми). Задача винаходу - підвищення ефективності розрахунку на витривалість зварних вузлів мостових конструкцій на основі врахування локального напружено-деформованого стану в зонах конструктивних концентраторів із зручною практичною реалізацією. Поставлена задача вирішується тим, що визначення локальних напружень виконується лише в одній точці, на заданій відстані від лінії сплавлення зварного шва. При цьому для визначення локальних напружень з врахуванням просторової роботи всієї конструкції, застосовується скінченноелементна модель із "абсолютно жорсткими тілами" у вигляді плоских перерізів. При розрахунках зварних вузлів, що складаються із таврових, хрестоподібних з'єднань і з'єднань, в яких приварені поздовжні ребра, визначення локальних змінних напружень виконується на відстані 0.17t (t - товщина основного металу) від лінії сплавлення зварного шва [2]. На фіг. 3 схематично зображено характер розподілу локальних напружень 1 у зоні зварного з'єднання, а також місце визначення напружень в одній заданій точці 2 на відстані 0.17t від лінії сплавлення зварного шва 3. Для визначення розрахункових характеристик опору втомі досліджуваного зварного вузла використовуються теоретичні коефіцієнти концентрації напружень α0.17t для різних груп зварних з'єднань. За допомогою коефіцієнтів α0.17t здійснюється переведення кривих втоми із номінальних напружень в локальні. На фіг. 4 зображено приклад переведення кривої втоми із номінальних напружень 1 в локальні напруження 2 шляхом множення теоретичного коефіцієнта концентрації напружень α0.17t на розмах номінальних напружень Δσ. На фіг. 4 N - число циклів до утворення тріщини втоми у з'єднанні при діючому розмаху локальних напружень α0.17t  Δσ. На фіг. 5 приведені значення коефіцієнтів α0.17t для таврових (хрестоподібних) з'єднань і з'єднань з приваркою поздовжніх ребер. На фіг. 5 L довжина поздовжнього ребра. Для врахування просторової роботи всієї конструкції при визначенні локальних напружень у вузлах, застосовується модель мостової конструкції, що складається із різнотипних скінченних елементів (СЕ), із їх об'єднанням "абсолютно жорсткими тілами" (АЖТ) у вигляді плоских перерізів [3]. На фіг. 6 представлена схема моделі конструкції з АЖТ для розрахунку локальних напружень в зварних вузлах. Згідно зі схемою досліджуваний зварний вузол апроксимується тривимірними СЕ 1, фрагмент конструкції, що включає вузол оболонковими СЕ 2, основна частина конструкції - просторовими стержневими СЕ 3, 4 - місця введення АЖТ. На фіг. 7 представлена лінійна блок схема загальної послідовності розрахунку витривалості зварних вузлів за локальними напруженнями відповідно до розробленого способу. 1 UA 101853 U 5 10 Розроблений спосіб дозволяє значно спростити процедуру розрахунку зварних вузлів мостів на витривалість з врахуванням просторової роботи всієї конструкції. 1. Hobbacher, A. Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components. International Institute of Welding, doc. XIII-1965rl4-03/XV-1127rl4-03. NY, 2009. 2. Дворецкий В.И., Мальгин М.Г. Расчет усталостной долговечности сварных пролетных строений мостов на основе локальных напряжений. Тезисы 73 Международной научнопрактической конференции - Д.:ДИИТ, 2013 г. с. 183…185 3. Кирьян В. И., Дворецкий В. И., Мальгин М. Г. Расчет локальных напряжений в зонах сварных соединений крупногабаритных пространственных конструкций. Автомат, сварка. 2012. - №4. - С. 3-7. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Спосіб розрахунку зварних вузлів мостових конструкцій на витривалість за локальними напруженнями, який включає в себе побудову скінченноелементної моделі мостової конструкції за запропонованою методикою, визначення локальних напружень в зварних вузлах, призначення розрахункових характеристик опору втомі, який відрізняється тим, що застосовують скінченноелементну модель мостової конструкції із "абсолютно жорсткими тілами" у вигляді плоских перерізів, в елементах визначають локальні напруження на відстані 0,17 t (t - товщина основного металу) від лінії сплавлення зварного шва, і використовують теоретичні коефіцієнти концентрації напружень α0.17t, за допомогою яких здійснюють переведення кривих втоми із номінальних напружень в локальні. 2 UA 101853 U 3 UA 101853 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4