过程装备制造Chapter 3 焊接接头的强度计算

Chapter3焊接接头的强度计算Intensitycalculationofweldingjoint本章重点：1.焊接接头的应力集中2.焊接接头的应力分布3.焊缝静载强度计算本章难点：1.焊接接头的应力分布2.焊缝静载强度计算1.焊接接头的应力集中1应力集中的概念1.1定义由于焊接的形状和焊缝布置的特点，焊接接头工作应力的分布是不均匀的，其最大应力比平均应力值高，这种情况称应力集中。1.2表达式：maxmmTmax焊接接头中存在应力集中的影响因素①焊接工艺缺陷、冶金缺陷、夹渣、气孔、咬边、未焊透均会引起应力集中、其中咬边、未焊透较为严重。②不合理的焊缝外形。不同焊缝形状会引起不同程度的应力集中。③接头型式：不同接头型式引起应力集中不同。④制造过程中的缺陷。⑤焊接残余应力。2.电弧焊焊接接头的应力分布1对接接头的应力分布①对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性，因而引起不同的应力分布，在焊缝与母材的过渡处引起应力集中，最大应力集中部位在焊趾。②应力集中系数：sin1krhT对接接头的应力分布2①对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性，因而引起不同的应力分布，在焊缝与母材的过渡处引起应力集中，最大应力集中部位在焊趾。②应力集中系数：sin1krhT丁字接头（十字接头）的应力分布十字接头有熔透和未熔透两种①未熔透的十字接头，在焊趾和焊根处有较大的应力集中系数，其中以焊根处为最大。②熔透的十字接头有较小的应力集中系数。搭接接头的应力分布正面角焊缝:把与力作用方向垂直的焊缝①焊缝根部A点、焊趾B点应力集中严重②焊趾B点的应力集中系数随角焊缝的斜边的夹角而变③减小、增大熔深焊透根部和增大底边焊脚长度，可使减小T侧面搭接角焊缝斜向搭接角焊缝点焊接头的应力分布•单排点焊接头的应力分布（如图）•多排点焊以两端焊点受力最大（如图）3焊缝的静载强度计算焊缝接头强度计算的假设①残余应力对接头强度无影响②应力集中对接头强度无影响③接头的工作应力是均布的，以平均应力计④不计正面与侧面焊缝、焊缝的加强与减弱和不同焊接规范引起的焊缝性能差异，而用统一的计算截面和许用应力焊缝接头强度计算的假设⑤角焊缝都是在切应力作用下破坏的。角焊缝的计算断面在角焊缝截面的最小高度上，取内接三角形高度为计算高度，（如图）。直角等要角焊缝的计算高度：⑥尽管加强和小量的熔深对于接头强度没有影响，但埋弧自动焊和保护焊的熔深较大应予以考虑，其角焊缝计算断面厚度（如图）KK7.02045)(COSPKmmPmmKKmmK8,8,8一般取当可取当2co电弧焊接接头的静载强度计算1.对接焊缝强度计算公式如下：受拉时：受压时：受剪时：]['llP]['alP]'[lQ电弧焊接接头的静载强度计算而内弯：垂直弯：∴综合作用：[注]：对于未焊透的对接接头，上述各式中应将中减去未焊透深度，l取实际焊缝长度，、、分别是焊缝许用拉、压、切应力。][6'21111llMWM][6'22222llMWM]'[3)(32232122合]['l]['a][搭接接头的静载强度计算1.受拉、压的塔接接头①单面焊、正面或侧面塔接焊缝的强度公式：②单面焊的正面、侧面联合塔接焊缝的强度公式：]'[7.0KlPlP]'[7.0lKPlP受弯矩的搭接接头计算2.受弯矩的搭接接头计算方法有三种：①分段计算法：②轴惯性矩计算法最大切应力：]6)([7.02hKhlKM]'[maxmaxyIMX受弯矩的搭接接头计算③极惯性计算法最大切应力：-极惯性矩，（又等于相互垂直的两个轴的计算惯性矩之和）]'[maxmaxrIMpyxpIIIpI受偏心载荷的搭接接头计算①采用分段法或轴惯性矩法计算，则按下式求合成应力：②若采用极惯性矩法计算，将分解成水平的（，）和垂直的（，）两个力，再合成：[注]：的计算是按全部焊缝计算，还是只考虑水平焊缝或只考虑垂直焊缝，要按具体情况而定。（如图）可按全部焊缝承受的剪力，均匀分布于全部焊缝中，其方向同P一致]'[22QM合]'[)sin()cos(22Mm合MMMmmsinsin载荷平行于焊缝丁字接头强度计算①由于产生最大应力的危险点在焊缝的最上端，同时受有两个切应力的作用，一个是由引起的，另一个由Q=P引起的，和相互垂直，所以该点的合成应力为：②若开坡口并焊透，其强度按对接接头计算，焊缝金属截面等于母材截面（F=·h）,若不开坡口时，按下式计算：LPM]'[22QM合hKPKhLPSQM4.17.02MMQ弯矩垂直于板面的丁字头计算①如开坡口并焊接，其强度按对接接头计算，强度计算公式为：②当接头不开坡口，用角焊缝连接，强度计算公式为：（其中W=）]'[62lM]'[WM)4.1(6])4.1[(33KKl复杂截面构件接头的计算◆计算复杂截面构件接头还要考虑以下几个问题：①计算时要先分析受载情况：各载荷引起的应力，确定各应力的方向、性质和位置。确定危险点，最高合成应力，（若危险点难以确定时，应选几个高应力点计算合成应力，其中合成应力最高处为危险点）②计算合成应力时，最大正应力和最大切应力虽不在同一点上，但常以最大正应力和平均切应力计算其合成应力，偏于安全。③粗略计算时，有时把正应力作为切应力考虑，也是偏于安全的简化计算方法。受弯矩联接接头的强度计算①若构件同时承受弯矩M和轴向力N时，焊缝中应力分别求出和，由于两者方向相同，所以合成应力：②若构件同时承受横向力P和轴力N时，则要同时考虑弯矩M=P·L和轴向力N及剪切力Q=P的作用。由于构件承受切力Q时，只是腹板承受的，故切力只由联接腹板的焊缝承受，并设切应力沿焊缝均匀分布。计算联接的焊缝强度时，应验算两个位置的合应力：一个是盖板外侧受拉的焊缝的合成应力：另一个是腹板立焊缝端点的合成应力：]'[)7.02(22lKNhIMx合]'[7.0maxLKNyIMx合MN合受扭矩的接头强度计算①矩形截面构件的接头若开坡口四周全焊，接头的最大切应力按下式计算：若不开坡口四周全部角焊，接头的最大切应力为：))((2maxZBZhZMn)7.0)(7.0(7.02maxKBKhKMn受扭矩的接头强度计算②圆形截面构件接头若不开坡口沿圆周全部角焊接，接头中的最大切应力按下式计算：nnWMmax)4.1(16])4.1[(44KDDKDWn4.母材及焊缝的许用应力•1.设计应力小于许用应力。•2.母材和焊缝的许用应力分别用[]和[]表示。•3.焊缝的许用应力[]大小与许多因素有关，不但与焊缝工艺、材料有关，而且也与焊接检验方法的精确程度有关。•4.焊缝的许用应力[]也可以由母材的许用应力[]乘以焊缝的强度减弱系数f来估算，即：[]=[]（取值）f''''