Блог

Усталостная долговечность сварных соединений

Конструкции со сварными соединениями склонны к разрушению под действием повторяющихся нагрузок, что обусловлено зарождением и ростом трещин в сварном соединении. В статье обсуждаются подходы к оценке усталостной долговечности сварных соединений.

Существует ряд причин, по которым наличие сварного соединения ограничивает ресурс конструкции:

  1. Материал сварного шва более хрупкий, нежели чем основной материал детали.
  2. Геометрия сварного шва содержит локальные неоднородности, которые могут являться концентраторами напряжений.
  3. Сварной шов может содержать полости и трещины, которые являются зоной начала разрушения.
  4. После сварки в сварном шве действуют высокие остаточные напряжения.
  5. Сварной шов зачастую расположен в месте резкого изменения сечения детали.

Основываясь на данных факторах, предсказание усталостной прочности и ресурса сварного соединения может быть достаточно сложной задачей. Однако, на эту тему существует большое количество исследований, а также разработаны нормы и стандарты, описывающие процедуры оценки долговечности сварных соединений. Все стандарты описывают два основных шага процедуры оценки:

  1. Метод расчета напряжений в сварном шве.
  2. Применение усталостной S-N кривой, описывающей зависимость уровня напряжений от количества циклов до разрушения, в логарифмических масштабах.

Оценка напряжений в сварном шве может быть выполнена в упрощенной постановке или более детально методом конечных элементов. При упрощенной оценке усилия, действующие в дальней зоне детали вдали от сварного соединения, делятся на характерную площадь сечения сварного соединения для получения номинальных усредненных напряжений. Данный подход не учитывает особенности геометрии сварного шва и концентрацию напряжений. При оценке методом конечных элементов может быть построена идеализированная геометрия сварного шва и получены локальные значения напряжений в зоне корня и у границы наружной поверхности. При этом необходимо в подобной модели острые углы в зоне сварного соединения заменять на скругления, чтобы избежать сингулярности напряжений, или отступать от зоны сингулярности при оценке напряженного состояния. Многие стандарты и нормы расчета сварных соединений допускают не моделировать детально геометрию сварного шва, а определяют зоны вблизи сварного соединения, в которых необходимо определить напряжения, и далее способ их линеаризации для экстраполяции в зону сварного шва. Обзор подходов с применением линеаризации приведен в работе С. В. Петинова, Р. В. Гучинского. S-N-критерии усталости материалов для расчетов ресурса конструкций: проблемы применения.

После того как значения напряжений определены, их можно использовать для оценки усталостной долговечности соединения. В зависимости от применяемого метода оценки напряжений на шаге 1, S-N кривая может быть скорректирована. Для стальных сварных соединений усталостные кривые имеют следующие характеристики:

  1. S-N кривая принимается линейной в логарифмической шкале по обеим осям с наклоном, равным -1/3.
  2. В зависимости от метода расчета напряжений, кривая может быть сдвинута вниз или вверх, как указано в применяемом стандарте.
  3. Типовое обозначение усталостных кривых для сварных соединений – FATххх, где ххх – значение напряжений в МПа, приводящее к разрушению при определенном числе циклов, обычно 2 миллиона. Кривая FAT225, применяемая при оценке напряжений методом конечных элементов, представлена на рисунке ниже.
  4. Для количества циклов более 2 миллионов, вторая ветка кривой либо становится параллельной оси Х (что соответствует пределу выносливости), либо более пологой. На приведенном рисунке задан наклон -1/22 при количестве циклов более 10 миллионов.
  5. Для определения долговечности используется значение размаха напряжений, при этом средние напряжения (при несимметричном цикле нагружения) не учитываются. Исследования показали, что средний уровень напряжений не оказывает влияния на долговечности, вероятнее всего вследствие наличия высоких остаточных напряжений в зоне сварки, которые нивелируют эффект несимметричности цикла нагружения.

s n curve

Используя знания в области расчетов методом конечных элементов и механики разрушения, становится возможным провести детальные расчеты усталостной прочности и долговечности сварных соединений, включая прогнозирование направления роста трещины с применением автоматических процедур перестроения конечно-элементной сетки.

Связанные новости
АО «ЦИФРА» и Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого заключили договор об организации стажировок для студентов по направлению «Механика и математическое моделирование». 16 апреля ведущий специалист АО «ЦИФРА» Мария Чуковенкова выступила в Высшей школе теоретической механики с презентацией о возможностях стажировки в компании. Студенты Политеха старших курсов смогут пройти летнюю практику в компании «ЦИФРА», применить знания для участия в реальных проектах под руководством опытных экспертов компании.
Сотрудники АО «ЦИФРА» приняли участие в заседании секции № 3 «Техническая эксплуатация и ремонт флота, охрана труда» научно-технического совета АО «ЦНИИМФ» (Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота). Инженер по динамике и прочности АО «ЦИФРА» Андрей Дмитриев выступил с докладом о предстоящем совместном выполнении НИР по расчетному обоснованию эксплуатации железобетонного судна согласно правилам Российского морского регистра судоходства (РС). Также участники заседания рассмотрели тему проектирования судовых конструкций с использованием технологий топологической оптимизации.
Связанные публикации в блоге
Сегодня утром Ever Given на 80% сняли с мели в Суэцком канале. Контейнеровоз блокировал транспортировку грузов с 23 марта, в заторе оказалось 450 судов, по информации в СМИ. Каждый день перекрытия Суэцкого канала обошелся мировой экономике потерями в 9,6 млрд долларов (Bloomberg). Делимся взглядом на событие с точки зрения специалистов в области решения инженерных задач.
Нефтегазовая отрасль имеет большой простор для применения численного моделирования. Так для нефтяного и газового оборудования, нефтяных платформ, резервуаров для хранения топлива, насосов, гидроэнергетических устройств проводятся расчеты статической и динамической прочности и гидрогазодинамические расчеты. В данной статье рассмотрим наиболее распространенные задачи данного отраслевого сектора – расчеты на прочность и герметичность.
Связанные вебинары
В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.
АО "ЦИФРА" объявляет о проведении серии лекций-вебинаров от ведущих приглашенных экспертов в области численного моделирования. В ходе первого вебинара данной серии будут рассмотрены вопросы прочностного анализа «легких» (lightweight) композитных конструкций при динамическом нагружении с использованием явных решателей (сеточного и бессеточного) ПО LS-DYNA.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.
Успешно отправлено! Наш менеджер свяжется с Вами в ближайшее время!