焊接残余变形和残余应力.ppt

焊接残余变形和残余应力 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2 2、应力分布、应力分布焊接残余应力是一组自平衡应力。焊接残余应力是一组自平衡应力。3 3、产生原因、产生原因不均匀降温。不均匀降温。二、对结构的影响二、对结构的影响1 1、降低结构刚度、降低结构刚度 压应力存在降低结构刚度、降低屈曲应力。压应力存在降低结构刚度、降低屈曲应力。2 2、导致脆性破坏、导致脆性破坏 发生三向应力。发生三向应力。3 3、发生焊接残余变形、发生焊接残余变形 引起附加内力，降低屈曲强度。引起附加内力，降低屈曲强度。4 4、不影响静力强度、不影响静力强度 自平衡应力。自平衡应力。三、减少焊接残余变形和应力的方法三、减少焊接残余变形和应力的方法（一（一）设计方面设计方面 焊缝尺寸应适当、不要随意加大焊脚尺寸：焊缝尺寸应适当、不要随意加大焊脚尺寸：焊缝应尽可能对称布置且不宜过分集中焊缝应尽可能对称布置且不宜过分集中(图图a)和三向相交。遇到以上情况时应采取措施加以和三向相交。遇到以上情况时应采取措施加以改善改善(图图b、c)1 1、合理焊接顺序、合理焊接顺序；(二二)制造加工方面制造加工方面2、对称焊缝、对称施焊；、对称焊缝、对称施焊；3、采用预先反变形；、采用预先反变形；3.6 3.6 普通螺栓连接普通螺栓连接一、一、普通螺栓连接的构造普通螺栓连接的构造1 1、螺栓的规格、螺栓的规格(1)(1)普通螺栓的形式为六角普通螺栓的形式为六角头型。其代号用头型。其代号用M M和公称直和公称直径数表示。如径数表示。如M16M16、M20M20等。等。(3)(3)分为分为A A级、级、B B级和级和C C级三种级三种(2)常用螺栓直径为常用螺栓直径为d=16，20，24mm(4)(4)C C级为粗制螺栓，螺杆表面粗糙，螺孔直径比螺杆大级为粗制螺栓，螺杆表面粗糙，螺孔直径比螺杆大1.521.52mmmm，制作安装方便制作安装方便。C C级螺栓变形大，多用于围护级螺栓变形大，多用于围护结构或次要结构连接。结构或次要结构连接。(3)A级和级和B级为精制螺栓，级为精制螺栓，螺杆、螺孔加工精度高，制螺杆、螺孔加工精度高，制作安装复杂，螺栓等级为作安装复杂，螺栓等级为8.8级。很少用，已被高强度螺级。很少用，已被高强度螺栓代替。栓代替。2 2、螺栓的排列、螺栓的排列(简单、统一、整齐、紧凑）简单、统一、整齐、紧凑）(1)基本形式：基本形式：并列和错列并列和错列(2)排布参数：排布参数：端距，边距，端距，边距，中中距距为什么要限制中心距？为什么要限制中心距？(3(3d d0 0)太小：连接中易沿螺孔间折线或直线破坏；太小：连接中易沿螺孔间折线或直线破坏；不便施工不便施工太大：不紧密易锈蚀，受压时局部失稳。太大：不紧密易锈蚀，受压时局部失稳。+e1 e2 e3 e4最大、最小距离限值见最大、最小距离限值见P54P54表表3.53.5。为什么限制边距、端距？为什么限制边距、端距？(2(2d d0 0、1.51.5d d0 0、1.21.2d d0 0)太小：栓钉至边（端）钢板易被子剪断。太小：栓钉至边（端）钢板易被子剪断。太大：不紧密，易锈蚀太大：不紧密，易锈蚀和变形和变形。(3)排布尺寸要求排布尺寸要求BACKBACKNNb)NNa)螺栓受剪螺栓受剪c)N上两排螺栓受拉上两排螺栓受拉2 2、受拉螺栓连接、受拉螺栓连接外力于栓干平行外力于栓干平行 通过螺栓抗拉保持连接。通过螺栓抗拉保持连接。1 1、受剪螺栓连接、受剪螺栓连接外力与栓杆垂直外力与栓杆垂直 以螺栓抗剪形式使连接件紧密连接。以螺栓抗剪形式使连接件紧密连接。二、普通螺栓连接的受力性能和计算二、普通螺栓连接的受力性能和计算3 3、同时受拉剪螺栓连接、同时受拉剪螺栓连接a a、螺杆被剪断螺杆被剪断 b b、连接件半孔壁挤压破坏连接件半孔壁挤压破坏c c、钢板拉（压）断钢板拉（压）断 d d、钢板剪坏钢板剪坏 e e、螺杆弯曲破坏螺杆弯曲破坏e)Aa)ABb)BAc)Ad)3535a1A一、受剪螺栓连接一、受剪螺栓连接1 1、五种破坏形式、五种破坏形式螺栓剪断螺栓剪断 2 2、单个螺栓受剪时的工作性能、单个螺栓受剪时的工作性能 高强度螺栓高强度螺栓N/mm2ab123412s粗制螺栓粗制螺栓(mm)0 弹塑性工作阶段弹塑性工作阶段(2(2后后)螺杆与孔壁接触、挤压。螺杆与孔壁接触、挤压。相对滑移阶段相对滑移阶段(1-2)(1-2)传递的剪力大于摩擦传递的剪力大于摩擦力，连接板间相对滑移。力，连接板间相对滑移。弹性工作阶段弹性工作阶段(0-1)(0-1)传递的剪力小于板间的摩擦阻力，连接板间相传递的剪力小于板间的摩擦阻力，连接板间相对位置保持不变。对位置保持不变。螺栓工作分以下三阶段螺栓工作分以下三阶段3 3、单个螺栓的承载力计算、单个螺栓的承载力计算分螺栓抗剪和螺栓承压两种情况：分螺栓抗剪和螺栓承压两种情况：图 受轴力作用螺栓群 剪力分布图3-54 螺栓的承压面N/5V=Nl1实际承压面实际承压面计算承压面计算承压面实际的实际的假定的假定的l1l2 tt连接件最小承压总厚度连接件最小承压总厚度 fcb螺栓承压设计强度螺栓承压设计强度 （3-373-37）（3-383-38）螺杆抗剪螺杆抗剪 N NV Vb b一个螺栓的抗剪设计承载力一个螺栓的抗剪设计承载力 nv 受剪面数目。单剪受剪面数目。单剪nv=1，双剪双剪nv=2 d d 螺杆直径（公称直径，附录三表螺杆直径（公称直径，附录三表3-53-5。常用常用1616、2020、2222、2424等，最常用等，最常用1616、2020）fvb 螺栓抗剪设计强度，由附表螺栓抗剪设计强度，由附表1.31.3给出。给出。螺杆承压螺杆承压N/2N/2N/3N/3N/3acbde 式（式（3-37）、（）、（3-38）说明）说明 d)d)上述承载力未计入摩擦。上述承载力未计入摩擦。c)Nc)Nv vb b和和N Nc cb b计算式中的受剪面数计算式中的受剪面数n nv v ，上图中上图中n nv v=4=4。a)a)螺栓承载力是螺栓承载力是N Nv vb b和和N Nc cb b中之最小值，中之最小值，N Nb bmin min。b)t b)t 取取 a+b+ca+b+c和和d+e d+e 之间的最小值。之间的最小值。（3-373-37）（3-383-38）（1 1）受剪螺栓连接受轴心力作用的计算）受剪螺栓连接受轴心力作用的计算NN+NNL1目标：确定螺栓数目目标：确定螺栓数目n n和排列。和排列。4 4、受剪螺栓连接的计算、受剪螺栓连接的计算a a、连接所需螺栓数目（假设每个螺栓的受力相同）连接所需螺栓数目（假设每个螺栓的受力相同）此时，螺栓剪力分布明显不均，距外力此时，螺栓剪力分布明显不均，距外力N N最近的一排最近的一排螺栓受力最大，会首先破坏并依次逐排朝内破坏。为保螺栓受力最大，会首先破坏并依次逐排朝内破坏。为保证其安全，将承载力乘降低系数证其安全，将承载力乘降低系数。l l1 11515d d0 0情况情况 n n 所需螺栓数所需螺栓数 N N 轴心力轴心力 N Nb bmin min NNv vb b和和N Nc cb b中之较小值中之较小值 l l1 11515d d0 0情况情况 l l1 11515d d0 0情况情况 此时，螺栓剪力分布明显不均，距外力此时，螺栓剪力分布明显不均，距外力N N最近的一排最近的一排螺栓受力最大，会首先破坏并依次逐排朝内破坏。为保螺栓受力最大，会首先破坏并依次逐排朝内破坏。为保证其安全，将承载力乘降低系数证其安全，将承载力乘降低系数。b b、构件净截面强度验算构件净截面强度验算排列设计排列设计 验算公式验算公式N N 连接件或构件验算截面上的轴心力设计值连接件或构件验算截面上的轴心力设计值A An n 连接件或构件在验算截面上的净截面面积连接件或构件在验算截面上的净截面面积f f 钢材的抗拉（或抗压）强度设计值钢材的抗拉（或抗压）强度设计值 螺栓并列排列螺栓并列排列NN/2连接件受力变化图连接件受力变化图NN+NNl1N/2N盖板盖板受力变化图受力变化图IIIIII连接构件的不利截面为连接构件的不利截面为I-II-I盖板的不利截面为盖板的不利截面为II-IIII-IIAn=(b-n1d0)tAn=2(b-n2d0)t1NN+e4e46e1e21122螺栓错列排列螺栓错列排列 除对除对1-11-1截面（绿线）验算外，还应对截面（绿线）验算外，还应对2-22-2截面截面（粉红）进行比较验算。（粉红）进行比较验算。2-22-2粉红线总长：粉红线总长：扣除螺孔直径后：扣除螺孔直径后：n n2 2粉红线截面上的螺孔数粉红线截面上的螺孔数NN+e4e46e1e21122例题例题3.83.8 两截面为两截面为1414x400 x400的钢板，采用双盖板的钢板，采用双盖板和和C C级普通螺栓连接。螺栓级普通螺栓连接。螺栓M20M20，钢材钢材Q235Q235，承受承受轴心拉力设计值轴心拉力设计值N N940KN.940KN.试设计此连接。试设计此连接。分析分析 设计此连接应按等强度考虑，即设计的连接除能承受设计此连接应按等强度考虑，即设计的连接除能承受N N力外，还应使被连接钢板、拼接盖板、螺栓的承载力均力外，还应使被连接钢板、拼接盖板、螺栓的承载力均接近，真样才能做到经济省料。因此，连接盖板的截面接近，真样才能做到经济省料。因此，连接盖板的截面面积可取与被连接的钢板的截面面积相同。这样，当螺面积可取与被连接的钢板的截面面积相同。这样，当螺栓采用并列布置时，只要计算被连接钢板的强度满足即栓采用并列布置时，只要计算被连接钢板的强度满足即可，不必再验算连接盖板。具体设计步骤可根据已知的可，不必再验算连接盖板。具体设计步骤可根据已知的轴心力设计值先确定需要的螺栓数目，并按构造要求进轴心力设计值先确定需要的螺栓数目，并按构造要求进行排列，然后验算构件的净截面强度。行排列，然后验算构件的净截面强度。解：解：（1 1）确定连接盖板截面）确定连接盖板截面 采用双盖板拼接，截面尺寸选采用双盖板拼接，截面尺寸选74007400，与与被连接钢板截面面积相等，钢材亦为被连接钢板截面面积相等，钢材亦为Q235Q235（2 2）确定所需螺栓数目和螺栓排列）确定所需螺栓数目和螺栓排列采用下图的排列方式采用下图的排列方式（3 3）验算连接板件的净截面强度）验算连接板件的净截面强度（2 2）受剪螺栓连接受扭矩作用计算）受剪螺栓连接受扭矩作用计算 连接件绝对刚性连接件绝对刚性 螺栓弹性螺栓弹性 螺栓绕螺栓群形心转动的，受力大小与螺栓至螺栓绕螺栓群形心转动的，受力大小与螺栓至 形心的距离形心的距离r r成正比，方向与它和形心的连线垂直。成正比，方向与它和形心的连线垂直。n123456o+xyTNi ori基本假设基本假设（a a）（b b）螺栓受力特性螺栓受力特性剪力的计算剪力的计算承受剪力承受剪力 N N。+xyiNi riTn2456o13N2由平衡条件和基本假定由平衡条件和基本假定：将（将（b b）式代入（式代入（a a），），得用得用N N1 1表达的表达的T T式：式：n2456o13N2可以判定螺栓可以判定螺栓1 1是危险螺栓是危险螺栓则：最大剪力则：最大剪力N N1 1。（a a）（b b）x xi i第第i i个螺栓中心的个螺栓中心的x x坐标坐标y yi i第第i i个螺栓中心的个螺栓中心的y y坐标坐标yoxx11r1y1把把 沿沿x x、y y方向分解（右图）方向分解（右图）是是 和和 中的较小值（单个螺栓承载力）。中的较小值（单个螺栓承载力）。当当y13 3x1时，略去时，略去x的所有项，有近似的简化式的所有项，有近似的简化式:设计条件要求设计条件要求螺栓群偏心受剪就属此类。这类状态在工程中多见。螺栓群偏心受剪就属此类。这类状态在工程中多见。（3 3）螺栓群受扭矩、剪力、轴心力共同作用计算）螺栓群受扭矩、剪力、轴心力共同作用计算+xyiNi riF+xyTVN+=+TV+V状态状态+T状态状态III+状态状态II+NNxy+V状态状态状态状态状态状态IIxy+状态状态IIN合成后，得合成后，得xy+T状态状态III状态状态III例题例题3.10 试验算一受斜向拉力设计值试验算一受斜向拉力设计值F120kN作用作用的的C级普通螺栓练的的强度。螺栓级普通螺栓练的的强度。螺栓M20，钢材钢材Q235。解：(1)单个螺栓的承载力：（2）换算作用外力（轴力和剪力的作用）在轴心力作用下可认为每个螺栓平均受力（3）计算由扭矩产生的剪力（4）受力最大的螺栓1所受的合力所以该连接满足要求