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:
- Материал сварного шва более хрупкий, нежели чем основной материал детали.
- Геометрия сварного шва содержит локальные неоднородности, которые могут являться концентраторами напряжений.
- Сварной шов может содержать полости и трещины, которые являются зоной начала разрушения.
- После сварки в сварном шве действуют высокие остаточные напряжения.
- 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:
- Метод расчета напряжений в сварном шве.
- 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:
- S-N кривая принимается линейной в логарифмической шкале по обеим осям с наклоном, равным -1/3.
- В зависимости от метода расчета напряжений, кривая может быть сдвинута вниз или вверх, как указано в применяемом стандарте.
- 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.
- 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.
- 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.
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.