Оболочковой конструкции

Жесткость тонкостенных и составных конструкций. В тонкостенных, в частности оболочковых, конструкциях особое значение имеет устойчивость системы. Конструкции такого рода склонны в известных условиях при напряжениях, безопасных с точки зрения номинального расчета на прочность и жесткость, подвергаться резким местным или общим деформациям, носящим характер внезапного крушения.

В конструкциях из листового материала (оболочковых, тонкостенных профилях, резервуарах, облицовках, панелях, крышках) необходимо учитывать Не только деформации, вызываемые рабочими усилиями, но и деформации, возникающие при сварке, механической обработке,.соединении и затяжке сборных элементов. Следует считаться и с возможностью случайных повреждений стенок при транспортировке, монтаже и неосторожном обращении в эксплуатации. В сильно нагруженных оболочковых конструкциях первостепенное значение имеет предупреждение потери устойчивости оболочек.

Заклепки до сих пор являются основным видом соединения в облегченных ферменных и тонколистовых оболочковых конструкциях из легких сплавов (особенно в самолетостроении). -Это объясняется технологическими трудностями сварки легких сплавов, пониженной вибропрочностью сварных швов, а также неизбежной поводкой, особенно ощутимойшри сварке изделий большой протяженности. Немалую роль играют присущие самолето-' строительным конструкциям сложность форм и стесненность габаритов, затрудняющие работу сварочными аппаратами, а также контроль сварных соединений.

Отметим, что в зависимости от геометрической формы тонкостенных оболочек, параметров навиваемого бандажа, а также условий на-фужения конструкций показатель двухосное™ напряженного состояния в стенке оболочки п - <32 /Ot может варьироваться в широких пределах. В качестве примера на рис. 2.1 показаны некоторые частные случаи нафужения оболочек различных типов и приведены соответствующие им зна-чения параметра двухосности нафужения стенки оболочки п, определенные на основе расчета напряжений в оболочковых конструкциях/20, 21/.

Отличительной особенностью сварных соединений оболочковых конструкций является наличие в них механической неоднородности, проявляющейся в различии свойств металлов отдельных участков и зон соединений. Последнее является, с одной стороны, следствием структурно-химических изменений материала под воздействием термодеформационного цикла сварки и, с другой стороны, применением для сварки материалов с различным уровнем механических характеристик. Участки (зоны) соединений, металл которых имеет пониженные по сравнению с основным металлом конструкции прочностные характеристики (предел текучести а, , временное сопротивление Ов , твердость HV и др.), как отмечалось во введении, принято называть мягкими прослойками, а участки, металл которых имеет более высокие характеристики — твердыми прослойками. В конечном счете неоднородность различных участков сварных соединений в процессе их нагружения способствует возникновению в них сложного напряженного состояния, которое влияет на прочность, пластичность и энергоемкость соединений. В связи с этим кратко остановимся на условиях появления мягких и твердых прослоек в оболочковых конструкциях при их изготовлении с применением сварки.

Для повышения технологической прочности сварных соединений (предотвращения появления горячих и холодных трещин) швы в оболочковых конструкциях выполняют мягкими присадками /31 — 34/. В качестве мягких присадков выбирают проволоки, обладающие высокой пластичностью, хотя и меньшей по сравнению с основным ме-таллом прочностью (рис. 2.4). Так, например, различие в прочностных характеристиках металла шва и основного металла сферических резервуаров, выполненных из титанового сплава ВТ5-1, достигает 30 % /32/, а при сварке труб из сплава ВТ22 и оболочек из сплава ВТ 14 сварной шов имеет более низкие (до 35 %) прочностные характеристики по отноше-

тойчивых сталей /35, 36/, а также низколегированных сталей типа 09Г2СЮЧ, широко используемых для изготовления сосудов давления и нефтехимаппаратуры /37/. В ряде случаев /38, 39/ осуществляется преднамеренное выполнение кольцевых швов мягкими присадками с целью обеспечения возможности снятия остаточных напряжений в оболочковых конструкциях методом опрессовки.

Приведенные примеры показывают, что механически неоднородные соединения широко распространены в оболочковых конструкциях в связи с чем проблема их рационального конструктивно-технологического проектирования стоит в настоящее время наиболее остро.

что приведенные в работах /83, 84/ результаты исследований являются основополагающими для двухосного нагружения листовых конструкций. Потеря устойчивости пластического деформирования материалов листовых конструкций (штоские элементы) в условиях двухосного нагружения существенно отличается от данного процесса, протекающего в оболочковых конструкциях (оболочках давления). На данное обстоятельство было обращено внимание в работе /46/ с целью предотвращения попыток использования решений /83, 84/ при оценке несущей способности оболочковых конструкций. В частности, отмечалось, что, во-первых, момент достижения максимального усилия, разрывающего стенку сосудов давления, не совпадает с моментом достижения максимума давления внутри оболочковой конструкции. Во-вторых, неустойчивость пластического течения оболочковых конструкций, связанная с достижением максимального значения внутреннего давления Рпшх (dP I d& - 0), наступает раньше (т.е. при меньших деформациях и напряжениях), чем пластическая неустойчивость, соответствующая максимуму усилия, приложенного к стенке оболочки в направлении наибольшего главного напряжения <з"'ах (d<3\ I cfe = 0). В связи с этим с позиций прочносги оболочковых конструкций, работающих в условиях нагружения внутренним давлением, величины напряжения и равномерной деформации, соответствующие достижению максимального давления, являются предельными, так как их превышение предопределяет процесс самопроизвольного развития деформаций и сопровождается разрушением конструкций.

менту достижения максимума давления Ртах в оболочковых конструкциях.

В заключение хотелось бы остановиться на следующих моментах. В зависимости от условий нагружения, связанных с произвольным сочетанием приложенных внешних воздействий (давление, осевые силы и т.п.) или геометрической формы оболочковых конструкций, а также расположения сварных стыковых швов в оболочковых конструкциях, решаемую задачу по оценке несущей способности оболочек, ослабленных мягкими прослойками, можно свести к двум основным расчетным схемам (рис. 3.4,«). Вторая схема отвечает ситуации, при которой мягкая прослойка расположена параллельно вектору главного напряжения С] (рис. 3.4.6).

Способ сварки в значительной мере определяет не только качество и трудоемкость изготовления оболочковых конструкций, но весь технологический процесс в целом. Выбор способа сварки начинается с определения ряда технически приемлемых вариантов для каждого соединения оболочковой конструкции, затем выбирается тип оборудования и составляются ориентировочные технологические процессы сборки и сварки с укрупненным нормированием для каждого варианта, подсчитывается суммарная трудоемкость и экономическая эффективность каждого способа, и после сравнения принимается окончательное решение в пользу какого-либо варианта.

Об этом, в частности, свидетельствует результаты исследований прочности оболочек давления, ослабленных мягкими прослойками, полученные в работах /60, 72 — 73/. где было показано, что в результате контактного упрочнения мягких (разупрочненных) участков существенно возрастает несущая способность конструкций. Это позволило по-новому подойти к вопросам повышения работоспособности сварных соединений оболочковых конструкций. Так, например, в работе /60/ была экспериментально подтверждена принципиальная возможность достижения равнопрочное™ механически неоднородных сварных соединений основному металлу оболочки путем регулирования величины теплового воздействия сварки и варьирования размеров зон разупрочнения (ширины мягких прослоек). К наиболее интересным результатам следует отнести и экспериментальные данные, полученные в /22, 73, 74/ при испытании труб 114x4.1 мм из сталей 15Г2СФ и 15Г2СФР с раз-упрочненными участками в околошовной зоне и сварных сосудов 123,4x11,55 мм из низко- и среднелегированных сталей с кольцевыми мягкими швами, подтверждающими неоднозначность механического поведения мягких прослоек в связи с проявлением эффекта их контактного упрочнения и выявляющие взаимосвязь параметров предельного состояния всей конструкции с геометрическими, прочностными и деформационными характеристиками сварных соединений. Следует особо выделить работы О. А Бакши и А.С Богомоловой /71, 72/, в которых вскрыт механизм контактного упрочнения неоднородных сварных соединений тонкостенных оболочковых конструкций и получены решения для некоторых распространенных конструктивных и силовых схем. В частности, исследовано напряженно-деформированное состояние поперечной мягкой прослойки в тонкостенной цилиндрической оболочке при ее осевом растяжении; продольной мягкой прослойкой, расположенной в цилиндрической оболочке, находящейся под воздействием внутреннего давления и осевой силы; экваториальной кольцевой мягкой прослойки в сферической оболочке давления. Однако, в целом результаты данных исследований не дают полной картины влияния двухосно-сти нагружения и места расположения мягкой прослойки в оболочковой конструкции в на ее несуигую способность хотя и являются хорошей основой для разработки общей расчетной модели.

Здесь р — параметр, характеризующий момент потери пластической устойчивости оболочки, ослабленной мягкой прослойкой; св — временное сопротивление металла мягкой прослойки; /(с^, п) — некоторый функционал, определяющий степень контактного упрочнения мягкой прослойки, работающей в составе оболочковой конструкции, в зависимости от конструктивно геометрических параметров с^ (например. А."в = а°м / а" , к = /? / / и т.п.) и схема нагружения (параметра двухос-ности /? = е*2 /d[). Исходя из этих позиций, основное внимание при оценке несущей способности тонкостенных оболочковых конструкций, как правило, уделялось исследованию влияния конструктивно-геометрических параметров механически неоднородных соединений на их статическую прочность аср /75/. При этом анализ базировался на основных закономерностях механического поведения неоднородных соединений, установленных ранее для листовых или стержневых конструкций. Для рассматриваемых конструкций в процессе их нагружения статической нагрузкой характерно контактное упрочнение наиболее слабого звена — мягкой прослойки. При этом его роль существенно возрастает с уменьшением относительной толщины прослойки к, что ведет к повышению прочности и снижению пластичности соединений, и в диапазоне относительно малых величин к несущая способность соединений практически находится на уровне прочности более твердого металла (Т). При размерах мягких прослоек больше толщины соединяемых элементов (к > 1 ) практически отсутствует контактное упрочнение мягкого металла и статическая прочность соединения, ослабленных мягкими прослойками, определяется механическими характеристиками металла (М) (например, рав').

что приведенные в работах /83, 84/ результаты исследований являются основополагающими для двухосного нагружения листовых конструкций. Потеря устойчивости пластического деформирования материалов листовых конструкций (штоские элементы) в условиях двухосного нагружения существенно отличается от данного процесса, протекающего в оболочковых конструкциях (оболочках давления). На данное обстоятельство было обращено внимание в работе /46/ с целью предотвращения попыток использования решений /83, 84/ при оценке несущей способности оболочковых конструкций. В частности, отмечалось, что, во-первых, момент достижения максимального усилия, разрывающего стенку сосудов давления, не совпадает с моментом достижения максимума давления внутри оболочковой конструкции. Во-вторых, неустойчивость пластического течения оболочковых конструкций, связанная с достижением максимального значения внутреннего давления Рпшх (dP I d& - 0), наступает раньше (т.е. при меньших деформациях и напряжениях), чем пластическая неустойчивость, соответствующая максимуму усилия, приложенного к стенке оболочки в направлении наибольшего главного напряжения <з"'ах (d<3\ I cfe = 0). В связи с этим с позиций прочносги оболочковых конструкций, работающих в условиях нагружения внутренним давлением, величины напряжения и равномерной деформации, соответствующие достижению максимального давления, являются предельными, так как их превышение предопределяет процесс самопроизвольного развития деформаций и сопровождается разрушением конструкций.

где (3„ — параметр неустойчивости пластического течения (деформирования) оболочковой конструкции в условиях произвольной нагруженно-сти стенки оболочки п.

Рассмотрим участок оболочковой конструкции, содержащий мягкую прослойку (рис. 3.11). Для упрощения теоретического анализа в соответствии с принятыми ранее допущениями принимали, что металл прослойки М является идеальножесткопластичным, а основной металл — недеформируемым. Ввиду тонкостенное™ оболочковых конструкций пренебрегли их кривизной. Также ограничивались рассмотрением со-

Рис. 3.11 Элемент тонкостенной оболочковой конструкции с поперечной мягкой прослойкой, нафуженной двухосным полем напряжений QI и а2

ки) под углом аск = —arccos\ - (здесь г^ = 0), выходить на боковые поверхности оболочковой конструкции (совпадающие или парал-

Здесь О.,. в(к). Оу вп \ — соответственно предел текучести (прочности) сварного соединения, работающего в составе конструкции и образца; KKtl, KK) — коэффициенты контактного упрочнения мягких прослоек соответственно в конструкции и образце; 3„, (3) — параметры, характеризующие момент потери пластической устойчивости оболочковой конструкции и образца при их нагружении (р„ = р^ = 1 при определе-

Следует отметить, что в ряде случаев в связи с недостаточной кольцевой жесткостью конструкций в последних реализуется схема нагружения, которая является промежуточной между- "мягкой" и "жесткой" схемой нагружения. Это в первую очередь отно-стится к тонкостенным конструкциям протяженных размеров, имеющим недостаточно большую жесткость. Для данного случая достоверная оценка механических характеристик сварных соединений с наклонной мягкой прослойкой может быть получена путем испытания вырезаемых образцов в контейнере с подпружиненными стенками, обеспечивающими поперечные смещения соединяемых элементов в процессе нагружения образцов, соответствующие податливости оболочковой конструкции /110/. Данный контейнер (рис. 3.42) включает в себя накладные пластины 7, плотное прилегание которых к образцу, вырезаемому из оболочки и имеющему определенную кривизну поверхности, осуществляется за счет вкладышей 2, поджимаемых к образцу подпружиненными болтами 3. Форма вкладышей подбирается в зависимости от кривизны поверхности оболочковых конструкций.

Ограничимся рассмотрением анализа несущей способности оболочковой конструкции, предварительно напряженной бандажом в виде навиваемой стальной проволоки (данное решение без особых затруднений переходит в решения для остальных типов бандажа, так как является обобщающим). В качестве начальных условий использовали основные положения, приведенные в разделе 3.2 настоящей работы, а также и новые, характерные для рассматриваемой задачи: