Скорректированный предел выносливости при постоянной прочности болтового соединения σ e или τ e определяется для выбранного типа, конструкции, материала и нагрузки на соединение по следующей формуле:
σ e = σ' e k a k b k c k d k e k f [МПа, фунт/кв.дюйм]
Где:
|
σ' e |
основной предел выносливости пробного бруска из выбранного материала [МПа, фунт/кв. дюйм] |
|
|
k a |
коэффициент поверхности [-]. |
|
|
k b |
масштабный множитель [-]. |
|
|
k c |
коэффициент надежности [-]. |
|
|
k d |
фактический температурный коэффициент [-]. |
|
|
k e |
измененный коэффициент концентрации напряжений [-]. |
|
|
k f |
коэффициент других воздействий [-]. |
1. Основной предел выносливости σ' e
Если результаты испытаний материалов выбранного сварного соединения недоступны и точное значение основного предела выносливости неизвестно, то можно оценить это значение. Расчет основного предела выносливости выполняется по следующим эмпирическим формулам:
σ' e ≈ 0,5 S U — для обратного изгиба
σ' e ≈ 0,4 S U — для обратного тягового усилия-давления
σ' e ≈ 0,28 S U — для обратного кручения (сдвига)
|
S u |
предел прочности растяжения [МПа, фн/кв.дюйм] |
2. Коэффициент поверхности k a
Существует следующая зависимость между пределом выносливости и качеством поверхности: усталостная прочность детали, к которой приложена усталостная нагрузка, увеличивается с увеличением качества поверхности. Эта зависимость проявляется сильнее для материалов высокого качества. Эффект влияния качества поверхности на предел выносливости в соответствии с прочностью материала и для разных типов механической обработки поверхностей можно показать с помощью графиков.
Следующий график показывает определение коэффициента ka для сварных швов стандартного качества.
3. Коэффициент размера k b
Размер не оказывает эффекта на усталостную прочность сварных соединений под нагрузкой знакопеременного растягивания-давления. Поэтому для такого типа нагрузки коэффициент размера k b = 1.
Если на соединение оказывается нагрузка знакопеременного изгиба (среза), то размер соединения оказывает существенное влияние на величину усталостной прочности. С увеличением размера соединения величина усталостной прочности уменьшается.
Точная величина отношения размера соединения к величине усталостной прочности может быть получена только после проведения испытаний указанного сварного соединения. Это практически невозможно. Поэтому производятся упрощенные вычисления. Они основываются на величинах усталостной прочности, полученных при испытании пробных брусков различного диаметра. Вычисления позволяют оценить приблизительное значение коэффициента k b . Делается предположение о том, что виртуальный сравнимый диаметр пробного бруска соответствует сечению сварного шва.
Коэффициент k b рассчитывается по следующим формулам.
|
|
- для британских единиц |
|
|
- для метрических единиц |
следует учитывать указанные ниже параметры:
k b ≥ 0,6
k b = 1 для
где формула используется для расчета виртуального сравнимого диаметра:
4. Коэффициент надежности k c
Этот коэффициент выражает влияние требуемой надежности соединения в работе на значение усталостной прочности. Значение коэффициента находится в диапазоне <0,5 ... 1>, причем оно уменьшается с ростом требований к надежности. Значение k c = 1 соответствует надежности в 50 процентов. Она соответствует 50% вероятности разрушения сварного соединения под воздействием усталостной нагрузки.
На практике обычно используют механические детали с уровнем надежности 95 %. Следует использовать большую надежность в тех случаях, когда разрушение соединения угрожает жизни людей или может привести к большим финансовым потерям.
5. Коэффициент рабочей температуры k d
Влияние температуры на предел выносливости существенно зависит от свойств использованного материала. Обычно используемые конструкционные стали работают в диапазоне температур от -20 до 200°C, и для них предел выносливости слабо зависит от температуры, что позволяет использовать коэффициент k d = 1.
Обеспечение прочности при воздействии высоких температур является сложной проблемой, так как разрушению соединения способствуют ползучесть, усталость и химические свойства материала. Эта проблема требует теоретического изучения. Для правильного определения коэффициента k d следует использовать результаты экспериментальных тестов.
6. Измененный коэффициент концентрации напряжений k e
В сварном соединении с усталостной нагрузкой, вызванной влиянием надреза шва, возникает высокая концентрация локальных напряжений. Концентрация напряжения ослабляет усталостную прочность соединения. Измененный коэффициент концентрации напряжений определяется по формуле k e = 1/K, где коэффициент уменьшения усталостной прочности K зависит от типа, формы, конструкции, качества сварного шва и нагрузки на сварное соединение. Ниже приводятся рекомендованные значения коэффициента концентрации напряжений для различных сварных швов и нагрузок.
|
Тип сварного шва, метод нагрузки |
K |
|
Стыковой шов, изгиб и растяжение |
1.2 |
|
Стыковой сварной шов, кручение (срез) |
1.8 |
|
T-образное соединение с двусторонним стыковым сварным швом |
2.0 |
|
Угловой сварной шов, нагрузка направлена перпендикулярно |
1.5 |
|
Угловой сварной шов, нагрузка направлена параллельно оси шва |
2.7 |
Учитывая концентрацию напряжений на определенном участке, наиболее опасными участками сварного соединения являются переходы от основного материала к материалу сварки. Поэтому для сварных швов, подвергающихся усталостной нагрузке, важное значение имеет подбор сварного шва и точное соответствие переходных граней. Некачественная сварка также сокращает срок эксплуатации сварного соединения. При выборе величины коэффициента концентрации напряжений следует учитывать правильность подбора сварного шва.
7. Коэффициент других воздействий k f
Этот коэффициент учитывает все прочие воздействия, которые могут увеличить или уменьшить усталостную прочность сварного соединения (например, влияние коррозии).