Вероятностные характеристики сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей многоцикловой усталости
Рассмотрены вопросы вероятностного определения сопротивляемости сварных соединений усталостному разрушению
 при многоцикловой усталости. Проведен анализ вероятности безотказной работы соединений для различных типов
 приложенных нагрузок при изменяющихся величинах. The paper deals wit...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101735 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Вероятностные характеристики
 сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей
 многоцикловой усталости / В.И. Махненко, И.Ю. Романова // Автоматическая сварка. — 2010. — № 7 (687). — С. 9-13. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860033199263973376 |
|---|---|
| author | Махненко, В.И. Романова, И.Ю. |
| author_facet | Махненко, В.И. Романова, И.Ю. |
| citation_txt | Вероятностные характеристики
 сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей
 многоцикловой усталости / В.И. Махненко, И.Ю. Романова // Автоматическая сварка. — 2010. — № 7 (687). — С. 9-13. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Рассмотрены вопросы вероятностного определения сопротивляемости сварных соединений усталостному разрушению
при многоцикловой усталости. Проведен анализ вероятности безотказной работы соединений для различных типов
приложенных нагрузок при изменяющихся величинах.
The paper deals with the issues of probabilistic determination of welded joint resistance to fatigue fracture at high-cycle
fatigue. Analysis of the probability of reliable performance of joints for various types of applied loads at varying
magnitudes has been performed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:53:10Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791:620.17:620.19:519.676:519.766.4
ВЕРОЯТНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ
Академик НАН Украины В. И. МАХНЕНКО, И. Ю. РОМАНОВА, канд. техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрены вопросы вероятностного определения сопротивляемости сварных соединений усталостному разрушению
при многоцикловой усталости. Проведен анализ вероятности безотказной работы соединений для различных типов
приложенных нагрузок при изменяющихся величинах.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварные соединения, циклическое
нагружение, многоцикловая усталость, сопротивляемость
усталости, вероятностные методы прогнозирования, безо-
пасная эксплуатация
В последние годы возрастает интерес к вероят-
ностным методам оценки наступления предель-
ного состояния сварных соединений при различ-
ных нагрузках, что в значительной степени
связано с большим количеством факторов, име-
ющих место в зоне соединения и влияющих на
наступление предельного состояния. Это особен-
но актуально при переменных нагрузках и уста-
лостных разрушениях сварных соединений.
Наличие множества факторов, трудно поддаю-
щихся детерминированному описанию, обус-
ловливает достаточно большие разбросы при ис-
пытаниях на усталость сварных соединений.
Использование стохастических методов расче-
та на усталость сварных соединений требует чет-
ких представлений относительно вероятностных
характеристик сопротивляемости сварных соеди-
нений различных конструкционных материалов
усталостным разрушениям. Такие характеристики
для отдельных сварных соединений и материалов
(в основном конструкционных сталей) в виде раз-
маха изменения нормальных номинальных нап-
ряжений Δσ и вероятности разрушения получены
экспериментальным путем [1–3] и др.
Работы Международного института сварки
(МИС) [4], посвященные многоцикловой усталос-
ти различных типов сварных соединений конс-
трукционных сталей ферритно-перлитного класса
прочностью до 900 МПа, показали, что при ве-
роятности отказа Qв = 5⋅10–2 (вероятность нераз-
рушения 9,5⋅10–1) сопротивляемость усталост-
ному разрушению достаточно надежно описыва-
ется с помощью минимальных размахов номи-
нальных напряжений FAT на базе N = 2⋅106 цикл.
При этом допускаемые размахи при регулярном
циклическом нагружении определяются зависи-
мостью [4]
[Δσ] = FAT
f1(N) f2(R)
γmf3(δ)
, (1)
где f1(N), f2(R), f3(δ) — соответственно поправки
на долговечность N, асимметрию цикла R, сва-
риваемую толщину изделия δ (при N < 2⋅106 цикл,
R ≥ 0,5 и δ > 25 мм каждая из этих поправок имеет
значение больше 1,0); γm — фактор безопасности,
равный 1,0…1,4, т. е. при f1 = f2 = f3 = 1 и γm = 1
вероятность отказа гарантируется на уровне приб-
лизительно 0,05.
Естественно, что при γm > 1 безопасность воз-
растает, а вероятность отказа в результате уста-
лостного разрушения резко снижается.
С учетом рекомендаций МИСа [4] представ-
ляет большой интерес для практики дополнить
их данными о вероятности разрушения при раз-
личных значениях FAT и классов соединений Kx
в зависимости от требуемой долговечности N и
уровня нагрузки Δσ. С этой целью можно исполь-
зовать уже опубликованные экспериментальные
результаты относительно вероятности разруше-
ния различных типов сварных соединений, связав
эти данные с рекомендациями работы [4]. Поиск
соответствующих опубликованных данных при-
вел к созданию в 1987 г. шведской фирмой
«Svenskt stal» руководства по проектированию
(расчету на прочность) сварных узлов из высо-
копрочных (EHS) и абразивостойких (AR) сталей
для оборудования типа экскаваторов, самосвалов,
шахтного, лесоповального оборудования и др. [5].
Стали (особенно типа EHS) вполне соответствуют
таковым в работе [4], набор сварных соединений
в [5] также соответствует таковым в [4], однако
при этом используют иную классификацию, при
которой класс соединения определяется отноше-
нием Kx = 315/σr, где σr — максимальное нап-
© В. И. Махненко, И. Ю. Романова, 2010
7/2010 9
ряжение при R = 0, т. е. σr ≈ Δσ. На рис. 1 и
в табл. 1 приведены данные о различных значе-
ниях вероятностей отказа Qв, Kx, долговечности
N, σr = Δσ при R = 0, что соответствует
σr = FATf2(R)f4(Qв), (2)
где f2 — поправка на коэффициент асимметрии
цикла R по [4] при R = 0 f2(R) = 1,2; f4(Qв) —
поправка, связанная с вероятностью Qв, отличной
от 0,05, соответствующей FAT по [4].
Для описания Qв предлагам использовать трех-
параметрический закон Вейбулла в виде
Qв = ⎛⎜
⎝
Δσ – A
B
⎞
⎟
⎠
η
,
(3)
где Δσ > A (здесь A, B, η — параметры этого за-
кона, зависящие от Kx (либо FAT) и N. Их можно
определить с помощью данных табл. 1. Доста-
точно хорошее согласование получено при η =
= 4. Расчеты значений A и B в зависимости от
долговечности N и класса соединения FAT пред-
ставлены на рис. 2.
Покажем степень согласованности расчета Qв
по (2) с экспериментальными данными табл. 1,
Рис. 1. Экспериментальные данные [5] по сопротивлению усталости сварных соединений различных типов при вероятности
Qв = 1⋅10–2 (а), 1⋅10–3 (б), 1⋅10–4 (в), 1⋅10–5 (г) и Kx = 1,3 (1), 1,5 (2), 1,7 (3), 2,0 (4), 2,3 (5), 2,6 (6), 3,0 (7), 3,5 (8), 4,0 (9), 5,0
(10)
Рис. 2. Зависимость параметров уравнения Вейбулла A (а) и
B (б) от долговечности N и класса соединения от 36 до
160 МПа
10 7/2010
использовав указанную выше зависимость между
Kx и FAT в виде
FAT(Kx) = σr(Kx, Qв = 5⋅10–2, N = 2⋅106)/1,2, (4)
а также данные табл. 1 и зависимость (3).
Полученные результаты приведены в табл. 2.
Они показывают, что экспериментальные данные
по [5] для σr из табл. 1 и расчетные данные на
основе (3) при разных значениях параметров A
и B при Qв = 1⋅10–2, 1⋅10–3, 1⋅10–4, 1⋅10–5 доста-
точно хорошо согласуются.
Особый интерес представляет вопрос о том,
как расчет по допустимой вероятности разруше-
ния согласуется с расчетом по заданному значению
фактора безопасности γm = 1,0…1,4, рекомендуе-
мому в работе [4]. В табл. 3 приведены такие
данные, полученные для сварных соединений с
различным значением Kx [5] и соответствующим
FAT [4] для долговечности N = 2⋅106 цикл при коэф-
фициенте асимметрии цикла R = 0.
Из табл. 3 видно, что относительно небольшое
изменение γm резко влияет на значения Qв, т. е.
при разумных рисках отказа в пределах Qв = 1⋅10–4
необходимость в γm > 1,64 невелика. Соответс-
твенно при γm = 1,4 вероятность отказа для рас-
сматриваемых условий составляет 1⋅10–3.
Следует отметить, что в большинстве случаев
вероятность отказа Qв определяет риск возник-
новения усталостной макротрещины, после чего
наступает период ее роста до критических раз-
Та б л и ц а 1. Максимальное напряжение σr (Н/мм2) по данным работы [5]
N, цикл
Кх
1,3 1,5 1,7 2,0 2,3 2,6 3,0 3,5 4,0 5,0
Qв = 1⋅10–2
1⋅103 900 900 900 900 900 900 900 800 720 600
1⋅104 690 680 620 580 540 460 420 370 340 280
1⋅105 400 350 325 290 245 220 195 175 160 135
6⋅105 260 220 195 170 138 120 110 100 87 74
1⋅106 220 190 168 142 115 103 92 83 75 62
2⋅106 185 160 138 115 93 80 73 65 58 48
Qв = 1⋅10–3
1⋅103 900 900 900 900 900 856 781 705 655 554
1⋅104 636 598 559 529 450 398 362 327 304 257
1⋅105 357 321 289 258 209 184 168 152 141 119
6⋅105 228 197 176 147 115 101 93 84 78 66
1⋅106 201 172 149 125 97 86 78 71 66 55
2⋅106 169 143 123 101 77 68 62 56 52 44
Qв = 1⋅10–4
1⋅103 900 900 900 900 900 800 710 650 600 520
1⋅104 600 560 520 490 410 360 340 300 280 240
1⋅105 340 300 270 240 190 170 158 140 130 112
6⋅105 215 185 160 137 107 95 87 78 70 63
1⋅106 185 160 140 115 87 80 73 65 58 53
2⋅106 160 135 114 94 70 64 57 52 47 42
Qв = 1⋅10–5
1⋅103 900 900 900 900 781 692 642 592 554 491
1⋅104 557 514 481 450 363 322 298 275 257 228
1⋅105 312 276 249 219 168 149 138 128 119 106
6⋅105 199 170 150 125 93 82 76 70 66 58
1⋅106 176 148 129 107 78 69 64 59 55 49
2⋅106 148 123 106 86 62 55 51 47 44 39
7/2010 11
меров, при которых происходит переход к спон-
танному разрушению. Таким образом, рекомен-
дуемые в работе [4] значения γm = 1,0…1,4, со-
ответствуют вероятности возникновения усталос-
тной трещины Qв = 5⋅10–2…1⋅10–3, что в зависи-
мости от тяжести ожидаемых последствий [4] яв-
ляется вполне обоснованным.
Возможность получения количественных ха-
рактеристик относительно вероятности зарожде-
ния усталостных трещин для отдельных сварных
соединений более обоснованно позволяет оцени-
вать возможность безопасной эксплуатации от-
дельных узлов с большим количеством сварных
соединений различного типа (разные FAT) и раз-
личными размахами напряжений (табл. 4).
В работах используются известные зависи-
мости:
Q(n) = 1 – exp[–nQ(1)]; ΣQв = 1 – exp[–ΣQ(n)]. (5)
Из табл. 4 видно, что вероятность ΣQв всегда
выше вероятности Q(n), которая в свою очередь
выше Q(1), т. е. обеспечение безопасности свар-
ного узла только по одному из наиболее слабых
соединений без учета характеристик других со-
единений является далеко не всегда обоснован-
ным.
Выводы
1. Сопротивляемость усталостному разрушению
сварного соединения является величиной доста-
точно стохастической. В этой связи рекомендации
МИС [4], основанные на статистической обработ-
ке экспериментальных данных с гарантированной
вероятностью отказа 5⋅10–2 в сочетании с реко-
мендациями по фактору безопасности γm =
= 1,0…1,4, являются достаточно обоснованными
по схеме наиболее слабого звена для сварных кон-
струкций при многоцикловой усталости.
2. Сочетание экспериментальных данных от-
дельных организаций о вероятностных характе-
ристиках сопротивляемости усталости с рекомен-
дациями МИСа для многоцикловой усталости
сварных конструкций из ферритно-перлитных
(ферритно-бейнитных) конструкционных сталей
способствует расширению расчетных возможнос-
тей оценки безопасности за счет использования
вероятностных подходов.
Т а б л и ц а 2. Сопоставление экспериментальных данных из табл. 1 с расчетными (3) для σr (МПа) при N = 2⋅106
цикл и средних значениях параметров A и B
Qв
Kx
1,3 1,5 1,7 2,0 2,3 2,6 3,0 3,5 4,0 5,0
1⋅10–2 185
192
160
166
138
141
115
120
93
95
80
84
73
75
65
67
58
60
48
50
1⋅10–3 169
170
143
145
123
124
101
102
77
78
68
70
62
63
56
57
52
52
44
44
1⋅10–4 160
158
135
133
114
113
94
93
70
69
64
62
57
56
52
51
47
47
42
41
1⋅10–5 148
151
123
126
106
108
86
87
62
63
55
57
51
52
47
48
44
45
39
40
Пр и м е ч а н и е . В числителе приведены данные по [5], в знаменателе — расчетные по формуле (3).
Т а б л и ц а 3. Вероятность отказа Qв и соответствующие значения фактора безопасности γm для N = 2⋅106 цикл при
R = 0
Kx FAT, МПа
Qв = 5⋅10–2 Qв = 1⋅10–2 Qв = 1⋅10–3 Qв = 1⋅10–4 Qв = 1⋅10–5
Δσ, МПа γm Δσ, МПа γm Δσ, МПа γm Δσ, МПа γm Δσ, МПа γm
1,7 135 161,9 1,0 138 1,17 123 1,32 114 1,42 106 1,53
2,0 116 139,5 1,0 115 1,21 101 1,38 94 1,48 86 1,62
2,3 95 114,6 1,0 93 1,23 77 1,49 70 1,64 62 1,85
2,6 84 100,6 1,0 80 1,26 68 1,48 64 1,58 55 1,83
3,0 74 89,00 1,0 73 1,22 62 1,43 57 1,56 51 1,74
3,5 65 78,00 1,0 65 1,20 56 1,39 52 1,50 47 1,66
4,0 58 68,70 1,0 58 1,18 52 1,32 47 1,46 44 1,56
5,0 46 55,60 1,0 48 1,16 44 1,26 42 1,32 39 1,42
12 7/2010
1. Прочность сварных соединений при переменных наг-
рузках / Под ред. В. И. Труфякова. — Киев: Наук. думка,
1990. — 256 с.
2. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, пе-
ременных во времени. — М.: Машиностроение, 1977. —
230 с.
3. Мэддокс С. Д. Усталостная прочность поперечных сты-
ковых сварных швов, выполненных с одной стороны //
www.svarkainfo.ru.
4. Recommendation for fatigue design of welded joints and
components. — S. l., [1996]. — 117 p. — (Intern. Inst. of
Welding; Doc. XIII-1539–96/XV-845–96).
5. Design with EHS and AR plate // Svenskt stal, Heavy Plat
Devision. — Oxeloеsund, 1987.
The paper deals with the issues of probabilistic determination of welded joint resistance to fatigue fracture at high-cycle
fatigue. Analysis of the probability of reliable performance of joints for various types of applied loads at varying
magnitudes has been performed.
Поступила в редакцию 09.02.2010
Т а б л и ц а 4. Примеры расчета долговечности сварных узлов с 15 сварными соединениями для различных N
FAT, МПа A, МПа B, МПа n Ds, МПа Q(1) Q(n)
N = 2⋅106 цикл
71 44 88 5 70 7,59⋅10–3 3,79⋅10–2
63 42 73 5 60 3,68⋅10–3 1,84⋅10–2
45 36 36 2 50 2,26⋅10–2 4,52⋅10–2
36 32 15 3 40 7,77⋅10–2 2,33⋅10–1
ΣQв 2,84⋅10–1
N = 1⋅106 цикл
71 55 120 5 70 2,44⋅10–4 1,22⋅10–3
63 52 95 5 70 1,29⋅10–3 6,44⋅10–3
45 46 49 2 60 6,64⋅10–3 1,33⋅10–2
36 43 25 3 45 4,09⋅10–5 1,23⋅10–4
ΣQв 2,1⋅10–2
N = 6⋅105 цикл
71 65 125 5 80 2,07⋅10–4 1,03⋅10–3
63 62 108 5 80 7,71⋅10–4 3,85⋅10–3
45 53 64 2 70 4,96⋅10–3 9,93⋅10–3
36 48 35 3 60 1,37⋅10–2 4,12⋅10–2
ΣQв 5,44⋅10–2
N = 1⋅105 цикл
71 125 240 5 140 1,52⋅10–5 7,63⋅10–5
63 120 200 5 140 9,99⋅10–5 5,00⋅10–4
45 100 90 2 110 1,52⋅10–4 3,05⋅10–4
36 90 50 3 100 1,60⋅10–3 4,79⋅10–3
ΣQв 5,66⋅10–3
N = 1⋅104 цикл
71 280 490 5 310 1,40⋅10–5 7,02⋅10–5
63 240 400 5 270 3,16⋅10–5 1,58⋅10–4
45 205 200 2 220 3,16⋅10–5 6,33⋅10–5
36 195 105 3 210 4,16⋅10–4 1,25⋅10–3
ΣQв 1,54⋅10–3
Пр и м е ч а н и е . n — количество однотипных соединений при заданном FAT; Q(1) — вероятность отказа одного соединения;
Q(n) — вероятность отказа хотя бы одного из n однотипных соединений; ΣQв — вероятность отказа хотя бы одного из соединений
сварного узла.
7/2010 13
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101735 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:53:10Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Махненко, В.И. Романова, И.Ю. 2016-06-06T19:16:20Z 2016-06-06T19:16:20Z 2010 Вероятностные характеристики
 сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей
 многоцикловой усталости / В.И. Махненко, И.Ю. Романова // Автоматическая сварка. — 2010. — № 7 (687). — С. 9-13. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101735 621.791:620.17:620.19:519.676:519.766.4 Рассмотрены вопросы вероятностного определения сопротивляемости сварных соединений усталостному разрушению
 при многоцикловой усталости. Проведен анализ вероятности безотказной работы соединений для различных типов
 приложенных нагрузок при изменяющихся величинах. The paper deals with the issues of probabilistic determination of welded joint resistance to fatigue fracture at high-cycle
 fatigue. Analysis of the probability of reliable performance of joints for various types of applied loads at varying
 magnitudes has been performed. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Вероятностные характеристики сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей многоцикловой усталости Probability characteristics of resistance of welded joints of structural steels to multi-cyclic fatigue Article published earlier |
| spellingShingle | Вероятностные характеристики сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей многоцикловой усталости Махненко, В.И. Романова, И.Ю. Научно-технический раздел |
| title | Вероятностные характеристики сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей многоцикловой усталости |
| title_alt | Probability characteristics of resistance of welded joints of structural steels to multi-cyclic fatigue |
| title_full | Вероятностные характеристики сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей многоцикловой усталости |
| title_fullStr | Вероятностные характеристики сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей многоцикловой усталости |
| title_full_unstemmed | Вероятностные характеристики сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей многоцикловой усталости |
| title_short | Вероятностные характеристики сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей многоцикловой усталости |
| title_sort | вероятностные характеристики сопротивляемости сварных соединений конструкционных сталей многоцикловой усталости |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101735 |
| work_keys_str_mv | AT mahnenkovi veroâtnostnyeharakteristikisoprotivlâemostisvarnyhsoedineniikonstrukcionnyhstaleimnogociklovoiustalosti AT romanovaiû veroâtnostnyeharakteristikisoprotivlâemostisvarnyhsoedineniikonstrukcionnyhstaleimnogociklovoiustalosti AT mahnenkovi probabilitycharacteristicsofresistanceofweldedjointsofstructuralsteelstomulticyclicfatigue AT romanovaiû probabilitycharacteristicsofresistanceofweldedjointsofstructuralsteelstomulticyclicfatigue |