Розрахунки на міцність при циклічних навантаженнях

 

Розрахунки на міцність при дії повторно – змінних напружень проводяться у декілька етапів. Спочатку, з використанням розрахункових формул опору матеріалів, визначаються попередні розміри і форма деталі, які задовольняють умовам міцності при статичному навантаженні з прийнятим коефіцієнтом запасу . На другому етапі виконується перевірочний розрахунок з врахуванням додаткових факторів, що впливають на міцність при втомленості. До них належать наявність концентраторів напружень, вплив абсолютних розмірів деталі, стан її поверхні, застосування зміцнюючи обробок, тощо.

Одержаний з такого розрахунку запас міцності є орієнтиром для продовження проектувальних досліджень. Якщо одержаний з перевірочного розрахунку запас міцності , треба збільшувати розміри перерізів деталі, або використати для її виготовлення інший, більш міцний матеріал, чи застосувати методи поверхневого зміцнення. У випадках, коли запас міцності набагато перевищує допустиме значення , можна навпаки зменшити розміри деталі.

Безпосереднє встановлення остаточних розмірів перерізів деталі у початковому проектувальному розрахунку є практично неможливим, бо границя витривалості деталі залежить від конструктивно – технологічних параметрів і розмірів деталі. В свою чергу, перелічені параметри повністю з’ясовуються тільки після визначення остаточної конфігурації деталі.

Тому, в розрахунках на втомленість використовують наступну умову міцності:

 

. (46)

У наведеному співвідношенні (46) є небезпечним напруженням, яке викликає порушення нормальної експлуатації деталі внаслідок її руйнування або розвитку значних пластичних деформацій. Небезпечним напруженням у розрахунках на витривалість є границя витривалості або ж границя текучості .

Для визначення коефіцієнтів запасу міцності деталі з витривалості та текучості звернемося до лінеаризованої діаграми граничних напружень (рис. 27а,б). Будемо вважати, що умови навантаження є простими і регулярними. Перше припущення означає, що амплітудні і середні напруження змінюються суто пропорційно у разі зростання чи зменшення зовнішнього навантаження. Регулярність забезпечує незмінність у часі тих самих компонент напруження при постійно діючих зовнішніх силах.

Напружений стан довільного перерізу можна зобразити у просторі лінеаризованої діаграми граничних напружень деталі точкою , відклавши вздовж відповідних осей компоненти та (або та ) (рис. 28а,б).

 

а	б
Рисунок 28 – Графічне визначення коефіцієнтів запасу міцності деталі

 

Якщо точка опиняється у просторі безпечних напружень (див. рис. 27а,б), то даний переріз має певний запас міцності у сенсі витривалості і текучості. У разі одновісного напруженого стану, при пропорційному зростанні напружень та (або та ) критичні напруження досягаються у точках та . Ці точки визначаються перетином променів навантаження з відповідними граничними прямими. Так точка є критичною для втомленості, а точка – для текучості (рис. 28а,б).

Таким чином, відповідні коефіцієнти запасу можна визначити як співвідношення відрізків:

§ з втомленості , (47)

§ з текучості .

Значення цих коефіцієнтів легко підраховуються і аналітично. Наприклад, критична точка може бути досягнута, якщо збільшити компоненти напружень та у разів. Тоді, з рівняння лінії текучості (24) випливає:

 

(48)

 

При визначені запасів по втомленості орієнтуються на значення коефіцієнту асиметрії циклу .

Для знакозмінних циклів критична точка розташовується на прямій , тому при збільшенні напружень та у разів з її рівняння (42) отримуємо:

 

(49)

 

У разі знакопостійних циклів точку слід шукати на прямій . З її рівняння (43) випливає:

 

(50)

Коефіцієнти запасу (48), (49), (50) визначаються аналогічно і для іншого одновісного напруженого стану, де діють лише дотичні напруження.

Тому

. (51)

 

Для знакозмінних циклів

 

, (52)

 

а для знакопостійних циклів

 

. (53)

 

Найменший з коефіцієнтів запасу або накладає граничні обмеження на зростання зовнішніх зусиль і є спільним (остаточним) коефіцієнтом запасу перерізу. Знайдений таким чином коефіцієнт запасу міцності порівнюють з допустимим запасом .

Якщо напружений стан деталі є складним (присутні одночасно і нормальні , і дотичні напруження), для розрахунку міцності деталі залучають теорію граничних напружених станів (теорію, гіпотезу міцності).

Існують численні спроби створення гіпотез міцності при втомленості для складного напруженого стану. Усі вони, головним чином, зводяться до узагальнення відомих теорій граничних напружених станів на випадок повторно - змінних напружень.

Так, наприклад, для крихких матеріалів найліпші результати дає гіпотеза максимальних нормальних напружень (І гіпотеза міцності) [6], для пластичних – теорія максимальних дотичних напружень (ІІІ гіпотеза міцності), яка практично співпадає з результатами, отриманими з теорії питомої енергії формозмінення (ІV гіпотеза міцності).

Напружений стан валу, при сумісній дії згинання та кручення є плоским напруженим станом (рис. 29), у якому нормальні та дотичні напруження синфазні.

Рисунок 29 – Напружений стан точок валу

Якщо критичними напруженнями втомленості вважати границі витривалості для нормальних і дотичних напружень, простір безпечних напружень знаходиться всередині граничного еліпсу (рис. 30), рівняння якого має форму:

. (54)

Рисунок 30 – Граничний еліпс напружень

 

Припустимо, що напружений стан перерізу відображається точкою . При подальшому пропорційному збільшенні компонент та , критичний стан буде досягнуто у точці . Тож під коефіцієнтом запасу міцності будемо розуміти відношення:

 

. (55)

 

У граничному випадку відповідні напруження дорівнюють

 

; ,

 

а рівняння (54) набуває погляду:

 

. (56)

 

Введемо поняття часткових коефіцієнтів запасу міцності: − коефіцієнт запасу міцності в припущенні, що дотичні напруження є відсутніми; − коефіцієнт запасу міцності в припущенні, що нормальні напруження є відсутніми. З урахуванням часткових коефіцієнтів запасу міцності рівняння (56) після перетворень набуває вигляд відомого рівняння Гафа − Полларда:

 

. (57)

 

Таким чином, сумарний коефіцієнт запасу при плоскому напруженому стані (рис.32) можна обчислити через часткові коефіцієнти запасів при згинанні і крученні з рівняння Гафа − Полларда за втомленістю і текучістю :

. (58)

 

В якості коефіцієнту запасу міцності деталі обирають менше з цих двох значень: .

Часткові коефіцієнти запасу міцності обчислюються за формулами (48) − (53).

Наведені розрахункові формули є придатними не тільки у випадку синфазної симетричної зміни нормального та дотичного напружень, але і при асиметричних несинфазних циклах.

Як вже відмічалось, при дії змінних напружень розрахунок на міцність проводиться як перевірочний, тому що неможливо попередньо визначити ефективні коефіцієнти концентрації, коефіцієнти впливу абсолютних розмірів деталі. В практиці проектування спочатку визначають розміри деталі з статичного розрахунку на міцність без урахування факторів, що знижують міцність при втомленості. Зрозуміло, що реальні напруження в деталі будуть вище за напруження у попередньому розрахунку. Компенсують невраховані фактори традиційним введенням завищеного допустимого коефіцієнта запасу міцності при попередньому статичному розрахунку. Наприклад, при орієнтовному розрахунку вала зубчастої передачі допустимий запас міцності приймається .

Ми розглянули основні питання міцності при втомленості при регулярних циклах зміни напружень у часі, тобто за умов постійності середнього і амплітудного напружень циклу. Так працюють силові елементи машинобудівних конструкцій, пружні підвіски транспортних засобів, тощо. Але існують конструкції, у яких напруження змінюються у часі досить складним чином. У найпростіших випадках вдається зафіксувати деякі залежності в змінах напружень і навіть описати їх аналітично. Але в більшості випадків закони зміни напружень у часі можна визначити тільки експериментально за результатами стендових або натурних випробувань. Техніка реалізації таких випробувань, що полягає у створенні необхідної гами навантажень, реєстрація пошкоджень від втомленості та подальший аналіз, наразі є самостійним та широко розвинутим напрямком міцності при втомленості.

Наприкінці двадцятого сторіччя були закладені підґрунтя нової науки – трибофатики, в якій об’єднались задачі зносу, тертя та втомленості для сучасних машин. Силові системи таких машин працюють в умовах контактної взаємодії елементів, і одночасно передають робоче циклічне навантаження. В таких системах з’являються пошкодження, які є характерними для процесів зносу та втомленості. Ці системи і процеси накопичення пошкоджень і вивчає трибофатика, яка з’явилась на границі механіки руйнування від втомленості та трибології. Останнім часом важливого значення набувають проблемні задачі оцінки ресурсу довговічності та діагностики машинобудівельних конструкцій, що експлуатуються. Розв’язання такого роду задач вимагає залучення теорії надійності.

Ці питання, в тому числі пов’язані з натурними випробуваннями, виходять за рамки курсу опору матеріалів і розглядаються в спеціальних курсах міцності конструкцій.