Файл: Талыпов Г.Б. Сварочные деформации и напряжения.pdf

В В Е Д Е Н И Е

В настоящей работе рассматривается один из практически важ­ ных и сложных классов температурных задач упруго-пластиче­ ских деформаций.

Более 100 лет назад Дюгамель и Нейман дали обобщение ос­ новных уравнений теории упругости для класса температурных задач, имеющего важное практическое значение и характери­ зующегося условиями:

1)температурное поле тела от начального состояния, которое обычно является равномерным, изменяется неравномерно в таких достаточно узких пределах, что физико-механические характери­ стики его материала практически остаются неизменными и отно­ сительное температурное расширение пропорционально темпера­ туре;

2)с определенного момента температурное поле-неизменно во времени;

3)деформации во всех точках тела остаются упругими.

Развитие техники обусловило необходимость изучения напря­ жений и деформаций в элементах конструкций, вызываемых неста­ ционарными температурными полями Т (х, у, г, f).

Каждое такое температурное поле вызывает напряженное со­ стояние, изменяющееся с течением времени t, и задача определе­ ния поля напряжений (деформаций) в таких случаях является динамической. При этом, если деформации не сопровождаются выделением или поглощением тепла, т. е. если температурное поле вызывается только внешними и внутренними источниками, при которых не имеет места переход механической энергии в тепловую и уравнение теплопроводности не будет содержать члена, завися­ щего от деформаций, то задачи определения полей температур и напряжений (деформаций) решаются независимо друг от друга (несвязанные температурные задачи деформируемого тела).

Если же само изменение деформации сопровождается измене­ нием температуры, то имеем связанную температурную задачу деформируемого тела, где задачи определения полей температур и деформаций (напряжений) должны решаться одновременно. Но, как показывают исследования [140, 143], влияние выделяемого в процессе деформации тепла на температурное поле от источников весьма мало и связанная температурная задача деформируемого тела может иметь значение только в тех случаях, когда внешние источники отсутствуют и температурное поле вызывается самим процессом деформации. В настоящей монографии рассматриваются температурные задачи, где температурные поля вызываются внеш­ ними источниками, т. е. несвязанные температурные задачи де­ формируемого тела.

За последние 20—25 лет бурное развитие ядерной техники, энер­ гетики, ракетостроения, самолетостроения, судостроения и т. д. как в Советском Союзе, так и за границей привело к усилению исследований нестационарных температурных напряжений (дефор­ маций) при высоких уровнях температур и значительных темпе­ ратурных градиентах. Изложение теории квазистационарных и нестационарных температурных напряжений приведено в мо­ нографиях [8, 26, 80, 92]. К сожалению, в этих монографиях недостаточно отражены работы советских исследователей. В мо­ нографии [8] приведен список работ по температурным напря­ жениям, появившихся на русском языке, составленный редак­ тором перевода Э. И. Григолюком.

Настоящее исследование посвящено классу температурных за­ дач, который характеризуется условиями:

1)температура в весьма ограниченной области тела изменяется

вшироких пределах; например, для металлов она может быть вблизи температуры их кипения;

2)в неподвижной системе координат температурное поле по­ движно и температура в каждой точке зоны нагрева изменяется во времени, охватывая весь цикл нагрева и остывания;

3)в силу подвижности температурного поля оказываются по­ движными зоны упругих, упруго-пластических и чисто пластиче­ ских деформаций;

4)в зоне более интенсивного нагрева физико-механические характеристики материала изменяются в широких пределах и важнейшие из них, например механические характеристики, в ре­ зультате нагрева и остывания могут получить существенные необ­ ратимые изменения;

5)после полного остывания тело, будучи свободным от внеш­ них сил, находится в упруго-пластическом деформированном состоянии; при последующем приложении внешних сил оно может частично оказаться в условиях сложного нагружения [44].

Этот класс температурных задач возник в связи с применением сварки, которая в настоящее время является основным способом неразъемного соединения элементов конструкций практически во

всех отраслях промышленности и строительства и почти целиком вытеснила клепку. К этому же классу относятся задачи, связанные с процессом упруго-пластических деформаций в металле, вызы­ ваемых газовой резкой.

В связи с применением сварки возникает ряд проблем *. В ча­ стности:

1) рациональное конструирование, т. е. разработка такой свар­ ной конструкции, где сварочные деформации и напряжения ока­ зывали бы минимальное влияние на ее эксплуатационную проч­ ность;

2)обоснование технологических допусков на сварные кон­ струкции; обеспечение предусмотренных чертежами форм и раз­ меров сварных конструкций;

3)прочность сварных конструкций.

Несмотря на наличие многочисленных работ по всем этим воп­ росам эти проблемы нельзя считать разработанными в достаточной мере. Первые две из этих проблем не требуют специального пояс­ нения. По третьей проблеме до настоящего времени нет единой точки зрения.

Сварка связана со сложным взаимодействием многих физикомеханических и механических факторов. В частности, в процессе сварки (или газовой резки) определенная зона основного металла подвергается процессу термического сложного нагружения [117]. В настоящее время не приходится рассчитывать на возможность точной математической постановки и решения проблемы исследо­ вания сварочных деформаций (напряжений) с учетом всех ее сторон. Создание точного математического аппарата для определе­ ния сварочных деформаций (напряжений) сопряжено с большими трудностями, которые обусловлены подвижностью температур­ ного поля; вместе с тем оказываются подвижными зоны чисто упру­ гих, упруго-пластических и чисто пластических деформаций при условиях, когда теплофизические и физико-механические харак­ теристики металла изменяются в широких пределах, а некоторые из них в процессе сварки и остывания могут получить суще­ ственные необратимые изменения. Такой аппарат до настоящего времени не разработан, и если он будет создан, то не менее труд­ ным окажется его применение к конкретным задачам.

В простейших случаях задачи о сварочных деформациях и напряжениях схематически могут быть представлены следующим образом. Возьмем металл, который резко теряет свою способ­ ность сопротивляться пластическим деформациям в определенном для него достаточно узком интервале температур. Для простоты примем, что он теряет свою способность сопротивляться пластиче­ ским деформациям при средней в этом интервале температуре Тк. Имея это в виду, поставим задачу: внутренняя ограниченная

*Здесь не рассматриваются другие важные проблемы, возникающие в связи

сприменением сварки (технологические, металлургические и т. д.).

часть большого плоского листа нагревается мощным источником сосредоточенно-равномерно по толщине до температур Т >> Тк. Необходимо определить деформации и напряжения в точках листа после его остывания. Вопрос усложняется, если источник пере­ мещается вдоль некоторой линии от начального до конечного поло­ жения, т. е. когда подвижная изотерма Тк образует некоторую область. Еще более сложную задачу получим в случае, когда тол­ щина листа значительна и температурное поле подвижного источ­ ника окажется пространственным.

Сложностью рассматриваемой проблемы в общей ее постановке обусловлен и тот факт, что существовавшие до выхода монографии [116] расчетные схемы сварочных деформаций и напряжений не выходили в основном за пределы простейшей задачи — случая наплавки валика на продольную кромку свободной полосы, где справедлива гипотеза плоских сечений. Краткое изложение этих теорий дано в § 2—4 монографии [116], а также в работе [52]

ив данной монографии в п. 20—22.

Впоследние годы появились работы по применению ЭВМ для исследования сварочных деформаций и напряжений свободных полос [98], бесконечных пластин на основе теории малых упругопластических деформаций [8, 19], конечных пластин с различ­

ными условиями крепления краев на основе теории течения [17, 63—65].

Всилу сложности задачи в общей постановке естественно идти по пути разработки приближенной теории сварочных деформаций

инапряжений. Исходные предпосылки этой теории должны базиро­ ваться на результатах изучения коренных изменений, происходя­ щих в основном металле зоны шва после сварки и остывания. Все эти изменения, а именно: структурные, механических свойств и по­ явление сварочных деформаций (напряжений) должны изучаться не в отрыве друг от друга, а в их взаимной связи с тем, чтобы для металлов с достаточно высокой температурой объемных превраще­ ний найти тот физический параметр, который определяет их и управляет ими [116].

Всоответствии с этим принципом в гл. 6 настоящей работы при­ водятся результаты исследования структуры и механических свойств основного металла зоны как линейного, так и плоского крестового швов, опытные данные о характере распределения сва­ рочных деформаций в этой зоне. Вместе с тем в последних пара­ графах этой главы приводятся результаты опытного решения, принципиального для построения приближенной теории вопроса — путем изменения какого физического параметра можно управлять изменением структуры и механических свойств основного металла зоны шва, а также сварочными деформациями и напряжениями.

Проблема сварочных деформаций и напряжений отличается не только сложностью, но и многогранностью. В связи с необходи­ мостью оценки прочности в процессе сварки и исключения воз­ можности появления горячих трещин представляет большой