Определение коэффициентов локальной концентрации напряжений в сварных соединениях вагонных конструкций

90

Современные технологии - транспорту

ставляющими с горизонтом угол 90 градусов) предназначенного для перевозки сыпучих грузов.

Библиографический список

1. Нормы для расчета и проектирования вагонов, железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 319 с.

2. Механика грунтов / Н. А. Цытович. - М. : Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1963. - 636 с.

3. Оценка схем расчетного нагружения торцовых стен и дверей грузовых вагонов от действия сыпучего груза / А. В. Иванов, Н. И. Миронов, С. И. Пашарин // Сборник трудов ВНИИВ. - 1984. - Вып. 53. С. 14-21.

4. Обоснование нагрузок на торцевые стенки и распределение нагрузок на поперечные балки рамы полувагонов / А. Г. Нетеса // Сборник трудов ВНИИЖТ. - 1986. -С. 49-56.

5. Определение давления сыпучего груза на торцевые стены вагона при соударениях / И. Л. Шаринов, О. Г. Бочевский // Вестник ВНИИЖТ. - 1981. - № 7. - С. 37-39.

6. Прочностной расчет наклонной торцевой стены кузова грузового вагона / С. И. Пашарин // Вестник ВНИИЖТ. - 1987. - № 2. - С. 41.

7. Оценка напряженного состояния торцовых стен крытого вагона от воздействия сыпучего груза при соударениях / З. Ф. Скобелев, В. А. Атрощенко, В. В. Дворников // Сборник трудов ВНИИВ. - 1984. - Вып. 53. - С. 53-62.

8. Расчет прочности торцевой стены полувагона / И. Л. Шаринов, С. И. Пашарин // Вестник ВНИИЖТ. - 1980. - № 1. - С. 36-38.

Статья поступила в редакцию 12.05.2009;

представлена к публикации членами редколлегии И. А. Ивановым и А. В. Индейкиным.

УДК 629.4.023

Л. В. Цыганская, Д. А. Василенко

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЛОКАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ВАГОНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Сварные соединения вагонных конструкций являются источником повышенной концентрации напряжений и относятся к наиболее повреждаемым элементам с точки зрения усталостной прочности. В настоящей работе предложена методика расчета коэффициентов концентрации напряжений в сварных швах с учетом геометрической формы швов и конструктивных непроваров, а также представлены результаты оценки сопротивления усталости нахлесточных и тавровых соединений балок рам длиннобаз-ных платформ при расчетных и нормативных значениях коэффициента локальной концентрации напряжений в сварных швах.

90

Современные технологии - транспорту

91

сварные соединения, коэффициент локальной концентрации напряжений, метод конечных элементов, усталостная прочность.

Введение

Сварка является одним из ведущих технологических процессов изготовления металлоконструкции вагонов. Изготовление конструкции с помощью сварки вызывает дополнительные требования, обусловленные тем, что вопросы проектирования, технологии сборки и сварки тесно связаны между собой. Форма и место расположения сварочных соединений имеет особенно важное значение для прочности изделий работающих в условиях динамических нагружений.

Вопрос повышения динамической прочности сварных вагонных конструкций далеко не решен. Особенно наглядно это показывает опыт эксплуатации длиннобазного подвижного состава, для которого уровень динамических напряжений выше, чем для типовых вагонов, что связано с относительной гибкостью их рам. Результаты обследования таких вагонов и изучение отказов в эксплуатации позволяют сделать вывод, что повышение их усталостной прочности должно идти следующими основными путями: совершенствование сварных узлов и соединений с целью уменьшения концентрации напряжений; выбор технологии изготовления, способствующей устранению влияния химической и структурной неоднородности отдельных участков сварного шва на динамическую прочность; применение сталей повышенной прочности, обладающих хорошей свариваемостью и низкой чувствительностью к старению; совершенствование методов расчета, главным образом уточнение напряжений в зоне сварных швов, с учетом как концентрации напряжений в конструкции, так и концентрации напряжений в самом сварном шве.

Вопросу уточнения расчетов сварных соединений длиннобазных вагонов посвящена данная работа.

1 Метод определения напряжений в сварных соединениях

Единого, полностью разработанного метода расчета всех видов напряжений в швах, в том числе и с учетом концентрации напряжений, пока нет. Сложились отдельные методы и приемы, позволяющие определить концентрацию напряжений для разных случаев.

Для конструкций длиннобазных платформ характерны сварные соединения, которые по виду взаимного расположения сварочных деталей подразделяют на стыковые, нахлесточные и тавровые. При расчете сварных соединений согласно [1] принимается ряд допущений:

не учитываются концентраторы напряжений, связанные с геометрией сварного шва;

деформации сварного шва считаются малыми и пропорциональными напряжениям;

92

Современные технологии - транспорту

материал шва считается однородным и изотропным;

не рассматриваются сварочные деформации;

физико-механические свойства материала сварного шва и околошовной зоны принимаются такими же, как у основного металла, сварочный шов принято считать равнопрочным с основным металлом.

Все эти допущения приводят к ряду погрешностей и, как следствие, достаточно приближенной оценке напряжений в зоне сварного шва. От отдельных допущений можно отказаться, если для расчетов использовать метод конечных элементов (МКЭ).

Разработка универсального метода определения напряжений в сварных соединениях с учетом конструктивных непроваров и концентрации напряжений, вызванной их формой, представляет собой сложную теоретическую и практическую задачу. Один из способов реализации такой задачи, предложенный в [2], заключается в трехэтапном подходе к ее решению. На первом этапе разрабатывается общая модель конструкции, позволяющая оценить статическую прочность и устойчивость, а также выбрать из однотипных сварных швов наиболее нагруженные. Второй этап заключается в разработке модели фрагмента конструкции с целью определения концентрации напряжений, вызванной нагрузками, которые передают швы и называемой концентрацией напряжений первого рода. На третьем этапе разрабатывается модель наиболее нагруженной части сварного шва с учетом конструктивных непроваров и геометрии сварного шва, при этом размер конечных элементов, выбираемых для расчета, весьма мелок. Точки концентрации напряжений у конца шва окружают конечные элементы размером 0,25 мм. За ними следуют элементы с радиусом 0,5 мм и 1 мм. Далее размер произвольный. Такая разбивка позволяет с высокой точность описать коэффициент локальной концентрации напряжений на базе 0,5 мм. Концентрация напряжений, определяемая на третьем этапе, называется концентрацией второго рода. Она также включает в себя концентрацию первого рода через граничные условия для рассматриваемого фрагмента. Размеры деталей, включаемых во фрагмент, соответствуют принципу Сен-Венана и превышают в несколько раз катет сварного шва.

На примере длиннобазных платформ моделей 23-469-07 и 13-9751-01, разработки НВЦ «Вагоны», были определены коэффициенты локальной концентрации напряжений для наиболее нагруженных зон, выбранных на основании расчета разработанных оболочечных конечно-элементных моделей рам платформ.

2 Определение коэффициентов локальной концентрации напряжений

Расчет производился методом конечных элементов с использованием конечно-элементного пакета ANSYS версия 10.0. При расчете использовалась оболочечная конечно-элементная модель рамы. Модель платформы 13-9751-01 представлена на рис. 1.

92

Современные технологии - транспорту

93

Для расчета использовались конечные элементы типа SHELL 93. Используемые конечные элементы имеют квадратичные функции формы и шесть степеней свободы в каждом узле, перемещения вдоль осей x, y, z и повороты вокруг этих осей. Конечно-элементная модель рамы включает 28708 конечных элементов и 118169 узлов.

Рис. 1. Конечно-элементная модель рамы

К наиболее нагруженным зонам рамы длиннобазных платформ относятся:

центральная часть рамы в месте стыковки поперечной и хребтовой балки рамы (при загрузке платформы контейнерами типоразмера 1 ААА);

шкворневой узел в месте соединения шворневой балки с хребтовой (при загрузке платформы контейнерами типоразмера 1СС).

Так же к сварным швам, требующим повышенного внимания, относятся стыковые соединения двутавров хребтовой балки, но при этом эти швы располагаются в наименее нагруженных зонах рамы и выполняются с подваркой корня шва, что обеспечивает полный провар сварного шва. Кроме того, для таких сварных соединений выполняется зачистка шва заподлицо с основным металлом и проводится УЗД контроль, поэтому в оценке влияния геометрии сварного шва и конструктивных непроваров для стыковых соединений нет необходимости.

В данной работе рассмотрены сварные соединения нижнего листа центральной поперечной балки в случае его исполнения в виде таврового соединения для платформы модели 23-469-07 (рис. 2) и нахлесточного соединения для платформы 13-9751-01 (рис. 3). Конечно-элементная модель фрагмента рамы платформы 23-469-07 включает 19800 конечных элементов и 39635 узлов. Конечно-элементная модель фрагмента рамы платформы 13-9751-01 включает 17823 конечных элемента и 35582 узла.

94

Современные технологии - транспорту

Для выбранных фрагментов центральной части платформы модели 23469-07 и модели 13-9751-01 разработаны объемные конечно-элементные модели.

Рис. 2. Конечно-элементная модель фрагмента конструкции рамы платформы модели 23-469-07 с тавровым сварным соединением

Рис. 3. Конечно-элементная модель фрагмента конструкции рамы платформы модели 13-9751-01 с нахлесточным сварным соединением

В результате расчетов фрагментов центральной части платформ выбраны наиболее нагруженные зоны сварного шва. Максимальные эквивалентные напряжения для таврового соединения возникают в зоне окончания шва. Для нахлесточного соединения зона максимальных напряжений

94

Современные технологии - транспорту

95

располагается в месте окончания флангового шва, на кромке нижней полки двутавра. Перемещения, полученные при расчете фрагментов центральной части платформ, использовались как граничные условия при разработке расчетной схемы участков сварных швов.

Для таврового сварного соединения нижнего листа центральной поперечной балки рамы с хребтовой балкой платформы модели 23-469-07 рассмотрено два варианта исполнения сварных швов: с односторонней (рис. 4, а) и двухсторонней (рис. 4, б) проваркой. Во второй модели сымитировано нахлесточное соединение этих же элементов для платформы модели 139751-01 (рис. 5). Величина максимального непровара, смоделированного в расчетной схеме, регламентирована требованиями [3].

Рис 4. Конечно-элементная модель таврового сварного соединения: а) односторонняя проварка; б) двухстороння проварка

Рис. 5. Конечно-элементная модель нахлесточного сварного соединения:

96

Современные технологии - транспорту

Конечно-элементные модели для сварных швов на третьем этапе расчета формировались по методике, изложенной выше. Конечно-элементная модель участка таврового сварного соединения рамы платформы 23-469-07 с односторонней проваркой шва включает 41757 конечных элементов и 61846 узлов. Конечно-элементная модель участка таврового соединения рамы платформы 23-469-07 с двухсторонней проваркой шва включает 75185 конечных элемента и 110304 узла Конечно-элементная модель участка нахлесточного соединения рамы платформы 13-9751-01 включает 55493 конечных элемента и 81257 узлов. Для расчета использовались объемные элементы типа Solid 187.

По результатам расчетов были определены очаги локальной концентрации напряжений в сварных швах. Для таврового сварного соединения как при односторонней так и при двухсторонней проварке шва очагами локальной концентрации напряжений в зоне сварного соединения является точка в корне шва у непровара (точка Б на рисунке 6, а) и точка в основании шва (точка А на рисунке 6, а). Для нахлесточного сварного соединения очагами локальной концентрации напряжений также является точка в корне шва у конструктивного непровара (точка Д на рисунке 6, б) и точка в основании шва (точка Г на рисунке 6, б).

Рис. 6. Схема таврового и нахлесточного соединений: А, Б, Г, Д - очаги концентрации напряжений в сварных швах; С, Е - место конструктивного непровара

Коэффициент локальной концентрации напряжений для сварного шва, учитывающий влияние геометрии сварного шва и конструктивного непровара, рассчитывался как отношение средних напряжений в зоне сварного шва, определенных на втором этапе расчета, с локальными напряжениями в сварном шве на третьем этапе расчета.

Результаты расчета коэффициента локальной концентрации напряжений приведены в таблице 1.

По расчетному значению коэффициента локальных напряжений К определена величина среднего значения общего коэффициента снижения предела выносливости детали по отношению к пределу выносливости гладкого образца по формуле:

96

Современные технологии - транспорту

97

(£Л=к0

кн-ку

Км кпж

где Кн - коэффициент неоднородности материала;

Ку - коэффициент влияния упрочняющей поверхностной обработки; Км - коэффициент влияния размеров детали;

Кпов - коэффициент влияния качества поверхности детали.

ТАБЛИЦА 1. Сравнение нормативных коэффициентов концентрации напряжений с

расчетными

Тип сварного соединения Среднее значение нормативного эффективного коэффициента концентрации напряжений Расчетное значение коэффициента концентрации напряжений в корне шва Расчетное значение коэффициента концентрации напряжений в основании шва

Сварное тавровое соединение без разделки кромок (сварное соединение нижнего листа центральной поперечной балки рамы при двухсторонней подварке) 3,2 2,82 3,15

Сварное тавровое соединение без разделки кромок (сварное соединение нижнего листа центральной поперечной балки рамы при односторонней подварке) 3,2 5,16 3,28

Сварное нахлесточное соединение фланговыми швами в зоне окончания швов 2,5 5,48 3,21

Результаты расчета среднего общего коэффициента снижения предела выносливости (К0)* приведены в табл. 2.

ТАБЛИЦА 2. Сравнение нормативных значений среднего общего коэффициента снижения предела выносливости (Ка)* с расчетными

Тип сварного соединения Нормативное значение (К)* Расчетное значение (К)* в корне шва Расчетное значение (К)* в основании шва

Сварное тавровое соединение без разделки кромок (сварное соединение нижнего листа центральной поперечной балки рамы при двухсторонней подвар- 4,8 3,65 4,07

98

Современные технологии - транспорту

Тип сварного соединения Нормативное значение (К)к Расчетное значение (К)к в корне шва Расчетное значение (Ка)к в основании шва

ке)

Сварное тавровое соединение без разделки кромок (сварное соединение нижнего листа центральной поперечной балки рамы при односторонней подварке) 3,2 6,68 4,25

Сварное нахлесточное соединение фланговыми швами в зоне окончания швов 5,2 7,09 4,15

Используя гипотезу линейного суммирования усталостных повреждений в соответствии с [2] определен расчетный срок службы рам длин-нобазных платформ моделей 23-469-07 и 13-9751-01 при действии вертикальной динамической нагрузки. Для определения срока службы при нормативном и максимальных расчетных значениях (К0)к рассчитывались амплитуды динамических напряжений по формуле:

^си ^сип ' ^ оси ,

где ост - статическое напряжение от силы тяжести брутто платформы, рассчитанное с помощью МКЭ по моделям первого этапа (рис. 1), к конечно-элементной модели в качестве нагрузок прикладывались только силы тяжести платформы и груза;

Кдв1 - средний коэффициент вертикальной динамики в интервале i, при различных скоростях движения.

Величина напряжений при действии силы тяжести брутто платформы составила:

для платформы модели 23-469-07 (тавровое сварное соединение нижнего листа центральной поперечной балки рамы) ост = 43 МПа;

для платформы модели 13-9751-01 (нахлесточное сварное соединение нижнего листа центральной поперечной балки рамы) ост = 47 МПа.

Расчётный срок службы был определён на основании формулы (2) с учётом формул (3), (4), (5), (6):

T =

тк

ст^уК

о

к

/,365 10Ч2>".Р,

7=1

98

Современные технологии - транспорту

99

Результаты расчета срока службы рам контейнерных длиннобазных платформ приведены в табл. 3.

ТАБЛИЦА 3. Расчетный срок службы рамы вагона

Тип сварного соединения Срок службы, лет

При нормативном значении (К)* При максимальном расчетном значении (Ка)* Значение, полученное по результатам ресурсных испытаний

Сварное тавровое соединение без разделки кромок (сварное соединение нижнего листа центральной поперечной балки рамы при двухсторонней подварке) 35 40 42

Сварное тавровое соединение без разделки кромок (сварное соединение нижнего листа центральной поперечной балки рамы при односторонней подварке) 35 21 -

Сварное нахлесточное соединение фланговыми швами в зоне окончания швов 33 10 8

Таким образом, срок службы платформы модели 23-469-07 с тавровым соединением центрального листа поперечной балки при двухсторонней подварке шва выше назначенного срока службы для контейнерных платформ (32года), как при нормативном, так и при расчетном назначении

К,

Для платформы модели 13-9751-01 расчетный срок службы при нормативном значении Ка составил 33 года, а при расчетном значении Ка всего 10 лет. Расчетные данные подтверждены результатами натурных ресурсных испытаний платформ. При этом расхождение расчетных данных с результатами экспериментов при (К0)*, определенных по изложенной методике, составило 20%, а при нормативных значениях (К0)* расхождение составило 75%. Результаты исследований были использованы при внесении изменений в конструкцию платформы модели 13-9751-01, что позволило существенно повысить запас усталостной прочности центральной части рамы.

100

Современные технологии - транспорту

Заключение

Разработанная в ходе исследования методика позволила провести трехэтапный расчет по уточнению коэффициентов локальной концентрации напряжений в сварных швах рам длиннобазных платформ, по результатам которых можно сделать следующие выводы:

уточненные расчетные значения коэффициентов локальной концентрации напряжений в сварных соединениях с учетом конструктивных непроваров и геометрии шва позволяют существенно повысить точность оценки сопротивления усталости рам длиннобазных платформ и избежать ошибок при их проектировании;

для различного исполнения однотипных сварных соединений (например, тавровых с односторонней и двухсторонней подваркой) коэффициенты локальной концентрации напряжений могут существенно отличаться друг от друга, что не учитывается в [1];

тавровое соединение нижнего листа центральной поперечной балки рамы длиннобазной платформы с хребтовой при двухсторонней подварке обеспечивает наибольший срок службы вагона, по сравнению с тавровым соединением с односторонней подваркой или нахлесточным соединением.

Библиографический список

1. Нормы для расчета на прочность и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 315 с.

2. Сварные конструкции. Механика разрушений и критерии работоспособности / В. А. Винокуров, С. А. Куркин, Г. А. Николаев; ред. Б. Е. Патон. - М. : Машиностроение, 1996. - 576 с.

3. ГОСТ 14771-76 Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры, 1976. - 39 с.

Статья поступила в редакцию 12.05.2009;

представлена к публикации членом редколлегии А. В. Индейкиным.

100