Сварные соединения: беспокоиться или нет?

Сварные швы и болты - наиболее сложные элементы с точки зрения моделирования узлов. Заготовки в Excel могут немного упростить их расчёт. Моделировать такие соединения в FEA программах весьма сложно ввиду отсутствия готовых моделей и наборов для болтов и сварки. Для решения этих задач был разработан КМКЭ и реализован в программе IDEA StatiCa.

Модель сварных швов в КМКЭ

В решатель IDEA StatiCa заложена уникальная методика, которая носит название Компонентного метода конечных элементов (КМКЭ). Модель сварных швов, используемая в КМКЭ, подробно описана и верифицирована на соответствие различным нормам проектирования. Прочность и деформативность модели сварных швов также сравнивалась с результатами в известных научно-вычислительных программах.

Есть несколько подходов к описанию сварных швов в численных моделях. Большие деформации делают механический анализ более сложным. Здесь могут быть использованы различные способы описания сетки конечных элементов, кинетические и кинематические переменные, а также сложные модели. Как правило, в расчётах используются различные типы геометрических 2D и 3D моделей, и, как следствие, разные типы конечных элементов в зависимости от требуемой точности. Наиболее часто применяемой моделью материала является общая пластическая модель, не зависящая от времени, с критерием текучести по фон Мизесу. Остаточные напряжения и деформации, вызванные свариванием деталей, в расчётной модели не учитываются.

Передача нагрузки на соседнюю пластину описывается совместностью усилий и деформаций, сформулированной на основе Лагранжиана. Такое соединение называется многоузловым объединением ( МО, multi-point constraint, MPC, в английском варианте). Оно связывает узлы конечно-элементной сетки одной пластины с гранью или поверхностью другой пластины. Узлы не соединяются напрямую. Преимущество такого подхода - возможность соединять пластины с несогласованными сетками конечных элементов (сетки различной плотности). Эти ограничения позволяют моделировать срединную поверхность свариваемых пластин с небольшим смещением, соответствующим реальной конфигурации сварного шва и его толщине. Распределение нагрузки по сварному шву наследуется от МО (МРС), а напряжения вычисляются в сечении шва. Этот момент очень важен при распределении напряжений в пластине, расположенной под сварным швом при моделировании Т-образных соединений.

В наших Теоретических основах вы можете найти больше информации об особенностях моделирования сварных швов в КМКЭ и верификации их моделей.

Если вы хотите узнать больше о КМКЭ в общем, то Общие теоретические основы - это определённо то, что вам нужно для начала.

Сварные швы в нормативных методиках

Проверка сварных швов по СП 16

В IDEA StatiCa можно задавать швы с полным проваром или угловые швы, они могут быть непрерывными по всей длине граней соединяемых деталей, частичными или прерывистыми. Швы с полным проваром считаются равнопрочными материалу соединяемых деталей и поэтому не проверяются. В случае угловых швов между интерполяционными кинематическими вставками, соединяющими пластины, добавляется специальный упругопластический элемент сварки. Материал этого элемента работает идеально-упруго-пластически, что позволяет перераспределять напряжения с более нагруженных элементов сварного шва на менее нагруженные и получить прочность шва, схожую с ручным расчётом в случае произвольных сварных швов или тавровых сварных швов в соединениях, не подкреплённых рёбрами жёсткости. Проверка выполняется для самого нагруженного элемента сварного шва.

Самый нагруженный элемент углового сварного шва проверяется согласно п. 14.1 СП 16. Длина сварных швов в расчётах берётся равной фактической за вычетом 1 см на каждом непрерывном участке согласно п. 14.1.16 СП 16.13330.2017.

Проверка по металлу шва выполняется по формуле:

\[ \frac{N}{\beta_f k_f l_{we} R_{wf} \gamma_c} ≤ 1.0 \]

Аналогичным образом выполняется проверка по металлу границы сплавления:

\[ \frac{N}{\beta_z k_f l_{we} R_{wz} \gamma_c} ≤ 1.0 \]

N – приведённое усилие сдвига, действующее в элементе сварки
β_f – cкоэффициент проплавления металла шва по Табл. 39 СП 16.13330.2017. Он назначается в Настройках норм и расчётов в зависимости от вида сварки и положения шва (настроек материалов сварки)
β_z – коэффициент проплавления металла границы сплавления по Табл. 39 СП 16.13330.2017. Он задаётся в Настройках норм и расчётов в зависимости от вида сварки и положения шва (настроек материалов сварки)
k_f – катет сварного шва; угловые швы подразумеваются с одинаковыми катетами
\( l_{we} = \frac{l_w}{l} \cdot l_e \) – расчётная длина элемента сварки
l_w = l – 10 mm – расчётная длина элемента сварки
l – фактическая длина сварного шва
l_e – фактическая длина элемента сварки
\( R_{wf} = 0.55 \frac{R_{wun}}{\gamma_{wm}} \) – расчётное сопротивление сварного соединения при условном срезе угловых сварных швов по металлу шва – СП 16.13330.2017, Таблица 4
R_wz = 0.45 R_un – расчётное сопротивление сварного соединения при условном срезе угловых сварных швов по металлу границы сплавления – СП 16.13330.2017, Таблица 4
γ_c – коэффициент условий работы по Табл. 1 СП 16.13330.2017, может быть изменён в Настройках норм и расчётов
R_wun – нормативное сопротивление металла швов сварных соединений с угловыми сварными швами по Табл. Г.2 СП 16.13330.2017
γ_wm – коэффициент надёжности по металлу шва, принимается равным γ_wm = 1.25 для R_wun ≤ 490 МПа и γ_wm = 1.35 в остальных случаях – СП 16.13330.2017, Таблица 4
R_un – временное сопротивление стали соединяемых элементов

Электрод	Rwun [МПа]	Rwf [МПа]
E42	410	180
E46	450	200
E50	490	215
E60	590	240
E70	685	280
E85	835	340

Положение сварного шва может быть задано при выборе электрода и вида сварки в настройках Норм и расчётов.

На эпюрах для сварных швов отображаются приведённые напряжения, которые вычисляются по следующей формуле:

\[ \sigma = \sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2 } \]

Проверка сварных швов по AISC

Проверка выполняется согласно AISC 360 - Chapter J2. Прочность сварных швов CJP groove подразумевается такой же, как прочность металла границы сплавления и не проверяется. Все результаты необходимых проверок, как уже привыкли многие пользователи IDEA StatiCa, выводятся в табличном формате с текстовыми пояснениями.

К конструктивным здесь относятся проверки минимального и максимального размера шва, а также достаточности длины шва. Максимальный размер шва проверяется по AISC 360-16 – J2. Минимальный - по Табл. J2.4. Подробные пояснения к параметрам можно найти в этой статье.

Результаты IDEA StatiCa тщательно проверяются и верифицируются в соответствии с требованиями AISC:

Будьте уверены в результатах. Ваши решения будут надёжными и полноценными.

Проверка сварных швов по Еврокоду

Угловые сварные швы проверяются по EN 1993-1-8. В этом случае инженер следит за расчётным сопротивлением и коэффициентами использования сварки.

Для сварных швов используется автоматическое перераспределение пластических деформаций во избежание сингулярности напряжений в элементах сварки. что позволяет передавать напряжения на недогруженные участки сварного шва по его длине в случае текучести других участков.

Здесь также важно помнить о том, что прочность швов с полным проваром считается равной прочности основного металла и в программе они не проверяются.

Чтобы больше узнать о проверке сварных швов по Еврокоду, обратитесь за помощью к нашим Теоретическим основам.

Верификация сварных соединений по Еврокоду:

Проверка сварных швов по другим нормам

Многие из вас уже знают, что IDEA StatiCa позволяет выполнять проверку стальных узлов по нескольким нормативным документам. Кроме описанных выше СП, AISC и Еврокода, в КМКЭ осуществляется проверка сварных швов по следующим нормам:

Передача сварных швов c помощью BIM интерфейсов

При моделировании стальных узлов в CAD программах в работе с BIM интерфейсами IDEA StatiCa раньше имелось несколько слабых мест, когда дело доходило до сварных швов. В новой версии IDEA StatiCa 20.1, вышедшей в октябре 2020 года, было реализовано несколько улучшений, полезных для инженеров-проектировщиков, которые значительно ускорили процесс расчёта и конструирования в целом.

Экспорт рекомендованных сварных швов

Иногда в процессе импорта моделей из CAD программ некоторые сварные швы могли пропускаться или не передавались корректно. Для таких случаев теперь есть опция "Добавить рекомендуемые сварные швы". Когда эта функция активна, программа выполняет проверку отсутствующих, но потенциально необходимых сварных швов. Такие сварные швы затем добавляются в модель и импортируются вместе с остальными компонентами.

Проверка отсутствующих сварных швов

Чтобы избежать сингулярности в модели узла после его импорта в IDEA StatiCa, лучше обязательно проверить, все ли сварные швы на месте. Для этой цели мы добавили новую полезную функцию, которая поможет пользователю быстро находить неприваренные детали узла. Программа сама распознаёт нужные элементы и отображает список всех пластин и их краёв, позволяя быстро и удобно добавить нужные сварные швы.

Вызвать команду можно щелчком правой кнопки мыши на заголовке Операции дерева проекта в правой части рабочей области.

Заключение

Расчёт узлов в IDEA StatiCa - это верифицированный КМКЭ метод, в который заложена верифицированная модель сварных швов, отражающая реалистичное распределение напряжений в конструкции, позволяющая выполнять все необходимые нормативные проверки и соединять пластины с несогласованными сетками конечных элементов. С валидацией результатов можно ознакомиться в примерах, выполненных по каждым нормам. Конечно-элементная модель узла в IDEA StatiCa создаётся автоматически, что является большим преимуществом для любого программно-вычислительного комплекса на основе МКЭ. Не так давно было реализовано несколько улучшений, позволяющих ускорить процесс импорта узлов из CAD систем.

Сварка деталей - отличный технологический приём, очень полезный в конструировании стальных узлов. Однако, для расчёта и проверки сварных швов по нормам инженеру необходим точный и высокотехнологичный инструмент. И IDEA StatiCa как нельзя лучше подходит под это определение. Она будет незаменима в работе с любыми вашими проектами.

Хотите улучшить свои навыки по моделированию и расчёту узлов? Пройдите онлайн-курс на платформе IDEA StatiCa Campus.