Прочность и долговечность сварных конструкций

 
 
Г. В. Матохин,  К. П. Горбачев 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ 
 СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
                    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 621.791:620.17 
ББК 34.641 
М34 
 
 
 
Рецензент: 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической  
механики и сопротивления материалов  
МГУ имени адмирала Г. И. Невельского И. Б. Друзь 
  
 
 
 
 
 
 
 
  Матохин, Г. В. 
М34   
Прочность и долговечность сварных конструкций : учебное пособие / 
Г. В. Матохин, К. П. Горбачев. í Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. 
í 288 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0645-1 
 
 
Освещены вопросы разрушения материала конструкций. Основное внимание уделено использованию силовых критериев механики разрушения. Показана 
возможность расчетного определения силовых критериев линейной механики 
разрушения. Приведены примеры оценки влияния различных конструкционных 
и технологических факторов на предел выносливости сталей феррито-перлитного класса. Изложены алгоритмы численных методов линейной механики разрушения. 
Для студентов и аспирантов технических вузов. Может быть полезно инженерам, занимающимся вопросами проектирования. 
 
УДК 621.791:620.17 
 
ББК 34.641 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0645-1 
‹ Матохин Г. В., Горбачев К. П., 2021 
 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
2 

ГЛАВА 1 
 
РОЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЧНОСТИ И АНАЛИЗА РАЗРУШЕНИЙ 
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ 
 
1.1. ВВЕДЕНИЕ 
 
С древних времен человек сталкивался с проблемами сопротивления материалов разрушению. Очевидно, что при создании египетских пирамид архитекторы неизбежно сталкивались с вопросами: как сделать их прочными и не разрушаемыми. 
Знания о прочности, накапливаясь, передавались из поколения в поколение.  
Что же такое прочность" Под прочностью обычно понимают способность 
тел быть целыми достаточно длительный период времени, не поддаваясь разрушению. Мы знаем, что прочностью (в той или иной степени) обладают все тела, 
независимо от того, находятся ли они в твердом или в жидком состоянии.  
Отвечая на вопрос «прочно"», мы решаем лишь одну из проблем для существования всего живого и неживого. Привлекая аппарат классической механики 
деформируемого твердого тела, можно ответить на многие вопросы, связанные 
с прочностью деформируемых тел. Казалось бы, инженерные методы расчета достигли достаточно высокого уровня, чтобы обеспечить прочность конструкций. 
К сожалению, уравнения классической механики деформируемого твердого тела 
дают ответ только на вопрос о распределении возникающих напряжений и деформаций и в общем случае не связаны с ответами о причинах разрушения.  
Само по себе разрушение - сложнейшее явление природы, присущее практически всем процессам, происходящим на земле. Постоянный ущерб от разрушений огромен. Одна из лабораторий Бательского института (г. Колумбус, штат 
Огайо) провела исследование по определению суммарных затрат в экономике 
США, связанных с возмещением ущерба от непреднамеренных разрушений, а 
также с мерами, направленными на предотвращение разрушений.  
Вся сумма затрат была разбита на три части (рис. 1.1):  
1) потери, связанные с недостаточным внедрением современных методов 
расчета, контроля и технологии, а также с использованием устаревших норм и 
стандартов;  
2) потери, которые могли бы быть потенциально предотвращены благодаря разработкам и внедрению современных научных методов; 
3) потери, устранение которых станет возможно только после получения 
принципиально новых «бездефектных» высокопрочных материалов. 
 
В 1978 г. общие затраты, связанные с разрушением, составили в США  
88 млрд долларов, т. е. примерно 4  валового национального продукта (соответствующие части затрат - 26, 21 и 41 млрд долларов). В 1982 г. общие затраты 
оценены в 119 млрд долларов, т. е. опять около 4  валового национального продукта (соответствующие части затрат - 35, 28 и 56 млрд долларов). 
3 
 

 
 
Рис. 1.1. Затраты, связанные с разрушением 
 
Что же такое разрушение" Ответить на этот вопрос просто и не просто. 
Можно привести примеры ужасных разрушений, которые известны человечеству и которые призывают: с разрушением надо бороться Восхищаясь великолепными архитектурными ансамблями, нельзя забывать об авариях, предотвращение которых связано с анализом причин происшедших разрушений. 
Римский историк Корнелий Тацит описывает одну из таких аварий, происшедшую в 27 г. н. э., в результате которой погибло и получило ранение  
50 000 человек. «В консульство Марка Лициния и Луция Кальпурния... неожиданное бедствие унесло не меньше жертв, чем их уносит кровопролитнейшая 
война... Некто Атилий, вольноотпущенник, взялся за постройку в Фидене амфитеатра, чтобы давать в нем гладиаторские бои. Фундамент был заложен в ненадежном грунте и возведено было недостаточно прочное деревянное сооружение... Туда стекались жадные до зрелищ мужчины и женщины. Множество людей всякого возраста, почти лишенных развлечений этого рода в правление Тиберия, скопились там... Набитое несметной толпой огромное здание, перекосившись, стало рушиться внутрь и валиться наружу, увлекая вместе с собой и погребая под своими обломками несчетное множество людей, - как увлеченных зрелищем, так и стоявших вокруг амфитеатра». Как констатировал Римский сенат, 
причины аварии состояли в отступлении от законов строительства и недостаточном обследовании надежности грунта. 
Во Франции, в Бове, в XIII в. рухнула башня одного из самых больших 
готических соборов, который строился по всем канонам классической готической архитектуры и со всей возможной осторожностью, но при незнании законов 
прочности несущих конструкций (в частности, соотношений между длинами 
пролетов и площадями сечений). 
4 
 

Вообще катастрофические разрушения происходили практически непрерывно вплоть до наших дней. Особенно часто разрушались мосты. Во всех случаях расследования установили, что причиной катастроф были ошибки при проектировании: неполный учет действующих нагрузок, которые приводили к 
непредвиденным колебаниям и резонансу, недостаточные  знания  законов  
прочности  и  разрушения  конструкций. 
Большинство обрушений мостов проходило в сильные бури, Зачастую совершенно неожиданно и с большими человеческими жертвами. А вот крупнейшая в истории мостостроения катастрофа моста через реку Такома в США обошлась без жертв и даже была запечатлена на кинопленке. Этот уникальный 
фильм, предоставивший массу ценного материала для исследования причин аварии, используется во всем мире в качестве учебного фильма для студентов. Такомский мост, построенный летом 1940 г., имел третий в мире по длине пролет 
в 854 м, перекрытый висячим мостом, довольно узким, с проезжей частью Нобразного сечения высотой 2,4 м и шириной около 12 м, рассчитанной на двухрядное движение автомобилей. Почти сразу после постройки обнаружилась внушающая тревогу большая чувствительность к порывам ветра, вызывавшим колебания с амплитудой до полутора метров. Безуспешные попытки введения дополнительных связей и установки гидравлических демпферов на пилонах моста 
не смогли предотвратить катастрофы, происшедшей 7 ноября 1940 г. (рис. 1.2).  
 
 
Рис. 1.2. Колебания проезжей части  
Такомского моста за час перед катастрофой 
 
После часа колебаний часть проезжего полотна отломилась и рухнула в 
воду. Анализ катастрофы указал на необходимость динамического расчета мостов. Такомский мост был рассчитан на статическую ветровую нагрузку. Сейчас 
на месте прежнего успешно работает мост шириной 18 м, у которого проезжая 
5 
 

часть имеет коробчатое сечение. Сплошные балки для уменьшения амплитуды 
аэродинамических возмущений заменены сквозными фермами. 
 
 
 
Рис. 1.3. Разрушение газопровода 
 
Большие материальные потери были связаны с разрушением магистральных газопроводов (рис. 1.3), где зачастую разрушающая трещина пробегала несколько километров со скоростью 1-2 км/с. 
Но особенно невосполнимые потери, связанные с человеческими жертвами, имели место при разрушении самолетов и судов. Полет первого в мире реактивного самолета (серии «Комета», Англия), взорвавшегося в воздухе, привел 
к гибели экипажа, причем после авиакатастрофы удалось собрать 250 тыс. обломков. Как бы мы теперь сказали, практически одновременно безудержно развилось большое число разориентированных трещин, что и привело к катастрофе. 
Дальнейшие аварии коммерческих реактивных самолетов этого класса заставили 
инженеров соорудить огромный кессон, внутренняя камера которого подвергалась нагрузкам, моделирующим условия полета, приземления, взлета и действие реактивного двигателя. Испытания дали возможность обнаружить так 
называемые усталостные трещины, зарождающиеся на поверхности иллюминатора и вырастающие до критических размеров. 
В конце 1942 г. поступили первые сигналы о серьезных внезапных разрушениях нескольких американских судов типа «Либерти», которые пришлось 
отбуксировать в порт для ремонта. 
Поначалу эти аварии отнесли к случайностям военного времени и не заметили возникших здесь научных и инженерных проблем. Убедиться в ошибочности такого мнения заставила авария танкера «Скенектади», который (после 
успешно проведенных морских испытаний) 16 января 1943 г. по возвращении в 
порт внезапно разломился на две части. 
6 
 

 
Трещина зародилась в остром углу люка на палубе, практически мгновенно прошла через палубу и по обоим бортам корпуса до подводной части у 
самого киля. Все это случилось в безветренную погоду, при температуре воздуха 
3 ƒС и температуре воды 4,5 ƒС. 
 
Примерно в таких же условиях в 1943 г. вблизи Нью-Йорка разломился 
пополам другой корабль такого же класса «Манхеттен», имеющий аналогичную 
конструкцию. 
Вообще до конца 1958 г. в Америке было зарегистрировано 319 аварий  
и крупных разрушений кораблей. В Великобритании, Дании, ФРГ, Швеции  
и др. странах также были зарегистрированы хрупкие разрушения судов (например, из 28 изготовленных с 1942 по 1965 гг. и разломившихся на две части кораблей 6 были построены в Европе). Компетентные и представительные комиссии, расследовавшие причины аварий, отметили, что разрушения произошли изза плохого качества стали и ошибок, связанных с недостаточными знаниями законов хрупкого разрушения.  
Разрушения происходят и в наши дни. На рис. 1.4 приведена фотография 
разрушения современного танкера, произошедшего в конце XX столетия. 
 
 
 
Рис. 1.4. Разрушение корпуса танкера 
 
 
В 1980 г. плавучая платформа потерпела аварию, приведшую к гибели  
123 человек. При выявлении причин аварии было установлено, что на ранней 
стадии произошла усталостное растрескивание двойного сварного шва установки гидрофоне, что явилось причиной недостаточной прочности и разрушения. 
Аналогичным разрушениям подвергаются и различного рода резервуары.  
Так в 1977 году, когда в Череповце в декабре ударил мороз -44 qС, произошли две серьезные аварии в линии производства серной кислоты: во-первых в 
сушильной башне (рис. 1.5) произошел разрыв корпуса из листовой стали 
7 
 

толщиной 10 мм с образованием магистральной вертикальной ветвящейся трещины длиной около 7 м и шириной от 3 до 5 мм. Во-вторых, разрушился корпус 
моногидратного абсорбера из листовой стали толщиной 12 мм с образованием 
трещины вдоль образующей цилиндра длиной около 4 м. 
 Причиной этих аварий был, конечно, большой перепад температур, поскольку температура кислоты внутри аппаратов превышала 70-80 ƒС. Количество вытекшей кислоты было незначительным, но экономические потери очень 
большие - из-за остановки всего производства более чем на месяц.  
 
 
 
Рис. 1.5. Авария сушильной башни 
 
Заканчивая отрицательные примеры разрушения, сформулируем некоторые проблемы, в которых позитивные аспекты разрушения могут быть использованы и которые ждут своего решения. Среди них: проведение теоретического 
и экспериментального анализа динамического разрушения горных пород (особенно при взрывном нагружении); определение механизмов, при которых поверхностно активные жидкости снижают износ поверхности; выявление закономерностей и создание надежных методов использования химико-механических 
эффектов и поверхностно-активных сред при механической обработке; изучение 
механизмов и технических возможностей сверхвысоких скоростей механической обработки металлов. Разрушение становится полезным при освоении естественных ресурсов, эксплуатации земных недр и морского дна, при переработке 
отходов и др. 
Катастрофы танкеров и судов, самолетов и ракет, химического оборудования и др., вызванные внезапным распространением трещин, слабое использование положительных аспектов разрушения показали недостаточность существующих классических расчетов, необходимость в исследовании новых характе8 
 

ристик разрушения. Таким образом, проблема разрушения, всегда стимулировавшая научную и техническую мысль, в наши дни приобрела первостепенное 
значение. Современный инженер обязан использовать всю мощь новейших 
научно обоснованных расчетных методов, чтобы создать прочную, безопасную 
конструкцию, способную надежно функционировать - стоять, летать, нырять, 
бурить и делать все, что от нее потребуется, в течение гарантированного срока 
ее службы и, кроме того, быть еще экономически выгодной.  
Сколько бы вреда ни доставляло разрушение, человек научился, зная причины и характер возможного разрушения, создавать аппараты, приборы и машины не только предельно легкими и дешевыми, но и достаточно прочными. Таким образом, проблема разрушения стала центральной проблемой учения о прочности и сопротивлении материалов. 
В общем случае механическое разрушение можно определить как изменение размера и формы конструкции или свойств материала, вследствие которого 
конструкция или машина уже не может удовлетворительно выполнять свои 
функции. Основной задачей конструктора является создание такой конструкции, 
которая выполняла бы предназначенные ей функции в течение заданного  
срока и при этом была бы конкурентоспособной. Успешное создание конкуренто-способных изделий, которые не разрушались бы преждевременно, может 
быть осуществлено лишь при умении предвидеть и оценивать вероятность всех 
возможных видов разрушения, представляющих опасность для создаваемых изделий. Чтобы выявить возможные виды разрушения, необходимо по крайней 
мере иметь представление о всех встречающихся на практике видах разрушения 
и об условиях, при которых они могут происходить. Если конструктор желает 
добиться успеха в предотвращении разрушения в течение заданного срока эксплуатации изделия, он должен хорошо владеть аналитическими, численными и 
(или) эмпирическими методами оценки возможности разрушений. Ясно, что исследование разрушения, его предсказание и предотвращение являются важнейшими задачами конструктора, желающего добиться определенного успеха. 
В отличие от классической механики деформируемого твердого тела проблемами разрушений занимается механика разрушения. 
Развитие механики разрушения связано с естественной необходимостью 
иметь представление о характере и возможностях начавшегося разрушения. А 
это достижимо лишь тогда, когда исследователь не только знает распределение 
внутренних напряжений, но и умеет определить допустимое напряжение (называемое критическим), при котором начинается разрушение, а также длину (и, 
быть может, траекторию) трещины, соответствующую приложенным внешним 
нагрузкам. Так как разрушение происходит в результате развития реальных дефектов, то при оценке прочности нужно учесть имеющиеся в теле трещины и 
определять их влияние на прочность. К сожалению, уравнения классической теории упругости построены для модели сплошного непрерывного тела. Они дают 
ответ только на вопрос о распределении возникающих напряжений и деформаций. Интуиция подсказывает нам, что, по-видимому, существует определенная 
зависимость между нагрузкой и длиной трещины. Для того чтобы установить эту 
9 
 

зависимость, приходится привлекать некоторые дополнительные соображения. 
Одно из таких простых и несомненных соображений предполагает, что разрушение требует определенных затрат энергии и связано с использованием закона сохранения энергии. 
 
1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
 
Проектирование представляет собой итерационный процесс, целью которого является создание новой или совершенствование существующей технической системы (или устройства) при условии экономного расходования ресурсов 
и соблюдении требований охраны окружающей среды.  
 Основной целью любого технического проекта является удовлетворение 
потребностей или желаний человека, иначе это будет для инженера пустой тратой времени. Создает ли конструктор новое устройство или модернизирует уже 
существующее, он должен стремиться создать «наилучшую», или оптимальную, 
конструкцию с учетом ограниченности выделенных ему времени и средств.  
К сожалению, при создании сложных технических систем условия абсолютной оптимальности конструкции зачастую невозможно определить. Кроме 
того, практически невозможно создать такую конструкцию. Если даже и удастся 
определить условия оптимальности конструкции, создание ее может потребовать очень больших затрат. Конкуренция часто требует улучшения характеристик конструкции, увеличения срока ее эксплуатации, снижения веса или уменьшения стоимости.  
 
1.3. ОСНОВНАЯ ПРОБЛЕМА 
 
За последние десятилетия технические достижения стали настолько привычными для нашего общества, что в будущем несомненны новые, более впечатляющие успехи. Появление новых материалов, необходимость повышения эксплуатационных скоростей и температур, необходимость снижения веса, уменьшения объема, увеличения сроков эксплуатации, снижения стоимости и достижения экологической совместимости - все это вызывает необходимость совершенствования методов расчета. 
Например, обычными становятся скорости вращения вала 30 000 об/мин и 
более и температура эксплуатации 1100 qС и выше. Многим инженерам приходится иметь дело с режимами сверхзвуковых полетов и космическими условиями, ядерным облучением в сочетании с повышенными температурами и длительным воздействием динамических нагрузок. Не менее серьезные проблемы 
возникают в связи с созданием сверхминиатюрной техники протезов для сердечно-сосудистой системы или других органов человека. 
Все это вынуждает конструкторов и расчетчиков более тщательно исследовать поведение материалов, внимательнее изучать особенности напряженнодеформированного состояния и условий эксплуатации, добиваться лучшего понимания причин разнообразных видов механического разрушения. Осознание 
10