УДК 782
МОДЕЛИРОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
Национальный исследовательский Томский Политехнический Университет
Институт Природных Ресурсов
Группа 2Б02
Доктор технических наук, профессор кафедры ТХНГ ТПУ.
Изложены основные понятия о видах, достоинствах и недостатках сварных соединений. Приведены основные допущения при моделировании сварного соединения. Предположены характеристики материалов и условиях эксплуатации моделируемого соединения.. Показано, какие напряжения и перемещения возникают в предложенном соединении. Рассчитаны основные параметры рабочей сварной конструкции. Смоделировано сварное соединение.
Ключевые слова:
Сварное соединение, напряжение, перемещение, моделирование.
Key words:
Moving, welded connection, tension, modeling.
Сварное соединение – участок конструкции или изделия, на котором сваркой соединены между собой составляющие их элементы, выполненные из однородного или разнородных материалов.
По сравнению с другими типами неразъемных соединений сварные соединения в настоящее время являются наиболее распространенными — это объясняется тем, что они наиболее прочные, технологичные и экономичные. Применение сварных конструкций, например, взамен литейных позволяет снизить их массу более чем на 30%.
Тем не менее сварные соединения обладают целым рядом существенных недостатков:
- нагрев места шва при сварке изменяет механические свойства основного металла в сторону их ухудшения; неоднородный нагрев приводит к возникновению остаточных напряжений и, как следствие, к остаточным деформациям; в сварном шве имеет место существенная анизотропия свойств металла; в области сварного шва возникают местные напряжения, существенно влияющие на его прочность, особенно в условиях переменного нагружения; высокая концентрация напряжений и другие неблагоприятные факторы делают сварные соединения недолговечными при переменной внешней нагрузке, особенно в условиях ударного нагружения; контроль качества сварного шва довольно сложен и не всегда экономически оправдан.
Традиционные методы расчета и проектирования сварного соединения при постоянной внешней нагрузке зависят от типа соединения, способа сварки и вида шва. Кроме общих предположений, характерных для расчета прочности вообще, при построении моделей сварных соединений для выполнения приближенных инженерных расчетов делаются некоторые дополнительные допущения, свойственные именно этому типу соединений:
- свариваемые детали считаются недеформируемыми, а сварные швы — напротив, податливыми; не учитываются концентрации напряжений, наличие которых характерно для мест резкого изменения формы, а расчет выполняется только по номинальным напряжениям; материал шва считается однородным и изотропным; деформации считаются малыми и пропорциональными напряжениям; сечения, которые до начала деформирования были плоскими, сохраняют форму [3].
Для сварных соединений свойственна совокупность зон, представленных на рисунке 1, образующихся в материале соединённых сваркой элементов. Зоны отличаются от основных материалов и между собой по химическому составу, структуре, физическим и механическим свойствам, микро– и макронапряжённости.
Рис. 1. Схема сварного соединения:
1 — сварной шов; 2 — зона сплавления;
3 — зона термического влияния; 4 — прилегающий основной материал.
Исходные данные моделируемого сварного соединения:
Труба D=1220 мм, Выксунского металлургического завода по ТУ 14–3–1573–99 из стали 09Г2С
Таблица 1 – Исходные данные
Температурный перепад Дt, оС | Рабочее давление Р, МПа | Номинальная толщина стенки дн, мм | Характеристики материала труб | Коэф. надежности по материалу К1 | ||
марка стали | временное сопротивление Rн1=увр, МПа | предел текучести Rн2=ут, МПа | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
±30 | 3,5 | 9;11;12;13;14;15;16 | 09Г2С | 490 | 345 | 1,47 |
Расчет толщины стенки.
Расчетное сопротивление металла трубы по пределу прочности на разрыв вычисляется по формуле [4]:
где m – коэффициент условия работы трубопровода, для II категории трубопровода (по табл.1 СНиП 2.05.06–85*) принимается равным 0,75;
Кн – коэффициент надежности по назначению трубопровода, в зависимости от давления и диаметра трубопровода (по табл. 11 СНиП 2.05.06–85*) принимается равным 1,05;
– предел прочности по ГОСТ 19281–89 равный 490 МПа;
К1 – коэффициент надежности по материалу по СНиП 2.05.06–85* принимается равным 1,47
Расчетное сопротивление металла трубы по пределу текучести [4]:
где 
– предел прочности по ГОСТ 19281–89 равный 345 МПа;
– коэффициент надежности по материалу, учитывающий способ изготовления трубы и ее прочностные характеристики (по табл. 10 СНиП 2.05.06–85*) при 
не больше 0,8 принимается равным 1,15.
В соответствии с безмоментной теорией расчета оболочковых конструкций толщина стенки трубопровода вычисляется по формуле:
где nр–коэффициент надежности по внутреннему давлению в трубопроводе
(по табл. 13 СНиП 2.05.06–85*) принимаем равным 1,15;
Р – рабочее давление по условию равное 3,5 МПа.
Таким образом, толщину стенки принимаем равную 11 мм.
Расчет на прочность стыкового шва (при врезке катушки).
Когда поверхность имеет форму, показанную на рисунке 2[4], распределение напряжений по сечению становится неравномерным. Зоны шва, сопрягаемые с основным металлом, испытывают концентрацию напряжений [2].
Рис. 2. Геометрия стыкового шва
Предполагаем, что сварное соединение не имеет дефектов, способных вызвать дополнительные напряжения, подвержено воздействию только внутреннего давления, смещение не предполагается. В результате процесса сварки шов имеет геометрическую форму согласно ГОСТ 16037–80: 
Концентрация напряжения, определяемая геометрией сварного шва, которая учитывается в расчетах как коэффициент концентрации формы. Он зависит от величины:
где S – толщина соединяемых элементов, мм;
∆S – утолщение в зоне шва, мм;
v – полуширина шва, мм.
По теореме Лапласа найдем кольцевые и меридиональные напряжения:
где P – рабочее давление равное по условию 3,5 МПа;
сm – меридиональный радиус стремится к 0;
сt – срединный радиус равный 604,5 мм
Проведем сравнения максимального напряжения с учетом коэффициента напряжения формы с предельным значением прочности для стали 09Г2С:
Условие прочности выполняется.
Рис. 5. Распределение напряжений в стыковом шве
Обработаем полученные результаты с помощью многофункционального программного комплекса ANSYS, найдём возникающие напряжения и перемещения в сварном соединении.
Рис. 6. Схема перемещений, возникающих в лобовом шве и в пришовной зоне
Из полученных в программе данных, при помощи математических расчётов, получаем следующие данные: максимальные перемещения в сварном шве равны 0,1109•10-9см, максимальные перемещения в пришовной зоне 0,0663•10-9см.
Рис. 7. Распределение перемещений в результате нагружения
Также построен график, отображающий распределение нагрузки в зоне шва в зависимости от удаления от оси сварного шва. Таким образом возможно нахождение значение нагрузки в задаваемых точках.
Рис. 8. График распределения прилагаемой нагрузки по длине l
В зоне наибольших напряжений сделано сечение. По данным, полученным из программы, построен график, показывающий распределение перемещений по длине сечения.
Рис. 9. График перемещений при нагрузке по длине в сечении А-А
По данным программы проведены сравнения напряжений, возникающих при сварке в нахлестном соединении и в стыковом соединении. Максимальные напряжения в стыковом соединении 28.7 кПа. Максимальные напряжения в нахлёстном соединении 449.6 кПа
Рис. 10. Напряжения, возникающие в стыковом соединении и в соединении в нахлёст
Выводы
Из полученных результатов и построенных графиков видно, что стыковые швы при всех видах сварки являются оптимальными с точки зрения концентрации напряжений. При отсутствии пор, непроваров, включений, смещения кромок, при доведении до минимума остаточных местных сварных деформаций и, наконец, что особенно важно, при рациональном очертании швов, их плавных сопряжениях с основным металлом результирующий коэффициент концентрации напряжений может быть сведен до значений, близких к единице. В других типах соединений такой результат получить практически невозможно.
Список использованных источников:
Андрей Алехин, Вадим Шелофаст, Ответственное сварное соединение: требуется расчет, САПР и графика 4`2007. , ,, Шаммазов и др. Трубопроводный транспорт нефти. Учебник для вузов: В 2 т. – М.: 000 "Недра–Бизнеспентр", 2004. – Т.2 – 621 с. , , Шалашилин материалов: Учебное пособие. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005 г. – 544 с.. Советченко главы прочности: Учебное пособие. – Томск: Изд – во ТПУ,1998 г. – 88 с. СНиП 2.05 .06–85* «Магистральные трубопроводы».
