Образец для оценки конструкционной прочности материала Российский патент 2024 года по МПК G01N1/28 G01N3/02 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к образцам для оценки прочности материалов при сложном напряженно-деформированном состоянии (далее - конструкционной прочности материалов). Оно может быть использовано при оценке статической конструкционной прочности материала, в том числе в условиях вязкого и хрупкого разрушения, а также при оценке ресурса высоконагруженных элементов и узлов машин и конструкций, эксплуатируемых в условиях циклического нагружения. Соответствующие испытания необходимы для обеспечения прочности элементов конструкций с концентраторами механических напряжений: при инженерном анализе соединений оболочек с патрубками энергетического оборудования, в сосудах давления различного назначения, при оценке ресурса тел качения высоконагруженных подшипников и цельнокатаных колес рельсового транспорта и других случаях.

Ресурс работоспособности современных конструкций в зависимости от назначения и условий их работы оценивается, в частности, по характеристикам статической прочности материала конструкции, по характеристикам его циклической прочности, а также по характеристикам его трещиностойкости. Известно, что при различных видах НДС: в условиях всестороннего сжатия, одноосного растяжения и сдвига, а также при сложных видах НДС, являющиеся их комбинацией, критерии прочности материала конструкций могут существенно различаться. По этой причине, при определении характеристик конструкционной прочности материала вид НДС в рабочей зоне лабораторных образцов материала, испытываемых до разрушения, должен быть близок к виду НДС в очагах возможного разрушения элементов конструкций [1-4].

Существенно, что современные средства математического моделирования НДС, реализуемые с помощью компьютерных технологий, позволяют уже на стадии проектирования определить необходимые характеристики вида НДС, возникающего в элементах конструкций в эксплуатационных условиях. При этом основной характеристикой, определяющей зависимость конструкционной прочности материала от особенностей возникающих полей и напряжений и деформаций, является коэффициент вида напряженно-деформированного состояния П (далее - коэффициент вида НДС [1-7])

где

σ₁, σ₂, σ₃ - главные напряжения в возможном очаге разрушения конструкции.

Тензометрия, а также численное и экспериментальное моделирование полей напряжений высоконагруженных элементов показало [1-10], что значения величины коэффициента П в возможном очаге разрушения широкого класса конструкций удовлетворяют условию

Примером учета вида НДС (П<0, [6]) высоконагруженного конструктивного элемента является расчет на прочность зоны контакта тела качения подшипника букс железнодорожных вагонов и его неподвижного кольца. Указанный элемент в процессе эксплуатации оказывается сжатым, значение рассматриваемого коэффициента вида отрицательно (величина П значительно меньше -1) и для стали типа ШХ4, используемой для изготовления подшипников, нормативные допускаемые контактные напряжения равны 3500 МПа [8]. Указанное значение контактных напряжений более чем вдвое превышает уровень допускаемых напряжений для этой стали в условиях одноосного растяжения, равный ≈1250 МПа. Аналогичная ситуация возникает в зоне контакта колеса рельсового транспорта и рельса. Эксперименты, показывающие противоположный эффект - снижение прочностных свойств материала в условиях двухосного растяжения (так называемый «жесткий вид НДС», соответствующий первому из неравенств (3) [6]), приведены в [9, 10].

Учет вида напряженного состояния при оценке прочности высоконагруженных элементов конструкций необходимо осуществлять как на стадии лабораторных исследований прочности их материала, так и на стадии длительных и представительных натурных исследований прочности самих конструкций [11].

Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии [12], имеющий форму прямоугольной пластины с концентраторами механических напряжений. Указанные концентраторы выполнены в виде U- и V-образных вырезов одинаковой конфигурации, расположенных на противоположных сторонах (ребрах) пластин [12, приложение 3, черт.1-3]. В процессе испытаний таких образцов в зонах концентрации напряжений возникает НДС, близкое к одноосному растяжению-сжатию (значение П близко к±1 соответственно). Использование таких образцов при оценке прочности конструкций, в материале которых возникает сложное напряженное состояние, характеризуемое значением величины П, удовлетворяющем условию (3), в общем случае не позволяет создавать в рассматриваемых образцах моделируемый вид НДС реальной конструкции. По этой причине указанный образец не позволяет осуществлять моделирование напряженно-деформированного состояния в диапазоне изменения величины Я, соответствующему условию (3).

Известен образец для оценки прочности материала, испытывающего двухосное НДС, имеющий форму призмы, продольную и поперечную плоскости симметрии, два боковых выступа, расположенных вдоль указанной призмы. Указанный образец имеет в поперечном сечении L - или V-образную форму с наружным галтельным переходом [13]. При проведении механических испытаний указанный призматический образец своими концами опирается на концевые опоры и, одновременно, L-образными выступами с упорными скосами - на боковую опору. При этом происходит контактное взаимодействие упорного скоса с боковой опорой, имеющей те же углы скоса. Под действием испытательного усилия, в рабочей зоне, расположенной на поверхности галтельного перехода в средней части образца, примыкающей к его поперечной плоскости симметрии, может создаваться НДС, характеризуемое значением величины П, удовлетворяющем условиям -2≤П≤-1 и 1≤П≤2. Недостатками указанного образца являются сложность его формы (наличие системы выемок и выступов) и двухопорная схема его базирования в опорных элементах приспособления, требующая использования как массивных боковых призматических опор, так и концевых опор образца, что существенно повышает требования к точности изготовления и качеству контактирующих поверхностей, необходимых для создания двухосного НДС.

Известен образец для определения характеристик трещиностойкости материалов при статическом нагружении [14]. Указанный образец используется для лабораторных механических испытаний материала до разрушения с целью оценки конструкционной прочности несущих элементов различных высоконагруженных конструкций. Образец имеет форму толстостенной прямоугольной пластины, опирающийся на две концевые опоры, имеет, кроме того, краевой надрез, расположенный в средней части поверхности опирания, а также поверхность нагружения, в средней части которой прикладывается испытательная нагрузка, в направлении, поперечном для испытываемого образца. Использование такого образца для определения конструкционной прочности материала не обеспечивает необходимой точности оценки прочности в тех случаях, когда высоконагруженные элементы конструкции находятся в сложном НДС. Это связано с тем, что в указанном образце главные напряжения, создаваемые в зоне V-образного надреза (рабочей зоне рассматриваемого образца), могут не соответствовать НДС оцениваемой конструкции. Это обстоятельство не позволяет осуществлять расчетно-экспериментальную оценку прочности конструкции во всем диапазоне изменения вида НДС, определяемом условием (3).

Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии [16], имеющий форму круглой пластины с U- или V-образными канавками, расположенными на противоположных сторонах пластины. В процессе испытаний дискового образца он опирается по наружной кромке диска и при этом в его рабочей зоне, расположенной в центре круглой пластины на поверхности нижней U-образной канавки, может возникать сложное НДС. Недостатком указанного образца является то, что, как показало вычислительное моделирование, изменение его геометрических параметров (глубины и ширины канавок, а также радиусов их скругления в рабочей зоне) не приводит к необходимому изменению величины П во всем диапазоне, описываемом условием (3). Это обстоятельство существенно ограничивает использование рассматриваемых образцов.

Известен образец для оценки конструкционной прочности материала, принятый в качестве прототипа [17], имеющий форму усеченной круглой пластины с U- или V-образной канавкой, расположенной на одной из сторон этой пластины. В процессе испытаний образца он опирается по наружной кромке и при этом в его рабочей зоне, расположенной в центре круглой пластины на поверхности U- или V-образной канавки, может создаваться сложное НДС. Недостатком указанного образца является то, что, как показало вычислительное моделирование, изменение его геометрических параметров (степени усечения образца, глубины и ширины канавки, а также радиуса ее скругления в рабочей зоне) не приводит к необходимому изменению величины П. В указанном образце НДС в возможном очаге его разрушения характеризуется либо двухосным растяжением (1≤П≤2), либо двухосным сжатием (-2≤П≤-1), но не позволяет моделировать НДС, характеризуемое условием (3). Связано это с тем, что для выполнения условий (3), как правило, необходимо, чтобы в рабочей зоне образца возникали главные напряжения разных знаков.

Цель настоящего изобретения - создание образцов для механических испытаний относительно простой формы, позволяющих оценивать конструкционную прочность материалов на типовых одноприводных испытательных машинах, не требующих разработки и изготовление специальной сложной оснастки и позволяющих создавать в их рабочей зоне НДС, удовлетворяющее условию (3) в общем случае.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый образец для оценки конструкционной прочности материала в условиях сложного НДС выполнен в виде усеченной круглой пластины постоянной толщины (далее -основной пластины), имеющей поверхности опирания и нагружения, ограниченные внешними круговыми контурами, центры которых совпадает с геометрическими центрами этих поверхностей. Указанная пластина снабжена краевыми надрезами (канавками), расположенными и на поверхности опирания, и на поверхности нагружения диска, а усечение основной пластины диска осуществляется двумя плоскостями, симметричными относительно ее геометрического центра и перпендикулярными ее срединной поверхности (далее - плоскостями усечения). Краевые надрезы предлагаемого образца представляют собой канавки, которые могут иметь в поперечном сечении U- или V-образную форму, симметричную относительно плоскости, перпендикулярной срединной поверхности основой пластины и проходящей через геометрический центр этой поверхности.

Технический результат изобретения выражается тем, что за счет введения дополнительной канавки на поверхности нагружения удается в рабочей зоне создать НДС, в котором на дне нижней канавки в ее поперечном сечении возникают растягивающие напряжения, а напряжения на дне верхней канавки в ее поперечном сечении - сжимающие. Были осуществлены вычислительные эксперименты, направленные на моделирование НДС в рабочей зоне предлагаемых образцов, в которых варьировалась степень усечения образца, глубина и ширина обеих канавок, угол их раскрытия (в случае применения V-образных сечений канавок), а также радиусы их скругления. Указанные эксперименты выявили возможность создания НДС в рабочей зоне предлагаемого образца во всем диапазоне условия (3) в общем случае.

Таким образом, предлагается образец для оценки прочности материала, представляющий собой часть круглого диска, образованную его усечением двумя плоскостями, симметричными относительно ее геометрического центра и перпендикулярными ее срединной поверхности, имеющую поверхность опирания, поверхность нагружения, отличающийся тем, что содержит канавки в виде краевых надрезов с U- или V-сечением профиля, расположенные как на поверхности опирания, так и на поверхности нагружения, а направляющие линии этих канавок лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях. Предлагаемый образец отличается от имеющихся аналогов тем, что канавки на его поверхностях имеют прямолинейную направляющую линию и одна или обе канавки на его поверхностях имеют круговую направляющую линию.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично показан вид четверти предлагаемого усеченного дискового образца для оценки конструкционной прочности материала, имеющего продольную и поперечную плоскости симметрии. На фиг. 2 представлен вид сверху на предлагаемый образец; на фиг. 3 - поперечное сечение (по линии А-А на фиг. 2) предлагаемого дискового образца; на фиг. 4 - продольное сечение образца по линии Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - результаты численного моделирования НДС предлагаемого образца.

Предлагаемый дисковый образец выполнен в форме усеченной круглой пластины 1, имеющей поверхность опирания 2 (далее - нижней поверхности образца), ограниченную внешним круговым контуром 3, канавку 4, расположенную на поверхности опирания 2 (далее - нижняя канавка), и канавку 11 (далее - верхняя канавка), расположенную на поверхности нагружения 5 (далее - верхней поверхности образца). При этом в целом пластина 1 представляет собой диск, усеченный двумя плоскостями 6, симметричными относительно центра диска и перпендикулярными его срединной поверхности так, что пластина 1 имеет две плоскости симметрии, а внешний контур 3 поверхности опирания 2 представляет собой часть окружности.

В процессе механических испытаний образца он опирается своим внешним контуром 3 на кольцевую опору 7 (фиг. 2). В центральной части образца к его поверхности нагружения 5 прикладывается поперечное (на фиг. 2 - вертикальное) испытательное усилие 8, распределенное по поверхности круговой формы 9. Под действием этой силы на поверхности скругления нижней канавки (фиг. 1), которая является рабочей зоной предлагаемого образца - концентратором механических напряжений - в поперечном сечении канавки 4 возникает сложное НДС. В процессе нагружения образец опирается по своему внешнему контуру 3 поверхности опирания 2 (фиг. 1). При приложении усилия 8 пластина 1 изгибается и в рабочей зоне образца на поверхности скругления нижней канавки возникают растягивающие напряжения σ₁, действующие перпендикулярно направлению этой канавки. Одновременно в процессе нагружения образца на поверхности скругления его верхней канавки в центральной части образца возникают сжимающие напряжения σ₃, действующие в поперечном сечении уже верхней канавки. Напряжения σ₂ на поверхностях рассматриваемых канавок равны в процесс испытания нулю. Описанный процесс деформирования позволяет создавать в рабочей зоне образца НДС, характеризуемое неравенством 0≤П≤1. Выполнение в очаге возможного разрушения образца условий - 1≤П≤0 может быть осуществлено использованием уже рассмотренных образцов, представленных на фиг. 1. Для этого достаточно поменять местами поверхность нагружения и поверхность опирания образца - перевернуть образец. В этом случае поверхность скругления канавки, ставшей верхней, должна иметь достаточно малый радиус скругления, что обусловит высокий уровень интенсивности напряжений на поверхности скругления именно верхней канавки. Вследствие этого рабочая зона образца будет располагаться на поверхности уже верхней канавки, материал этой зоны в направлении поперечном к оси верхней канавки будет испытывать сжатие, а НДС в этой зоне будет удовлетворять условию -1≤П≤0.

Для подтверждения приведенных положений было осуществлено численное моделирование НДС предлагаемых образцов. При этом рассматривались дисковые образцы с наружным диаметром диска D=200 мм, толщиной диска t=20 мм и шириной образца (расстояние между секущими диск плоскостями) S. Указанная ширина (фиг. 2) при проведении вычислительных экспериментов варьировалась, остальные геометрические параметры были неизменными. Результаты моделирования, приведенные на фиг. 5, показывают, что коэффициент П, определяющий вид НДС в рабочей зоне образца и конструкционную прочность его материала, при варьировании угла раскрытия нижней канавки а изменяется в диапазоне значений 0≤П≤1.

Таким образом, предлагаемые дисковые образцы с концентраторами напряжений в виде U- и V-образных канавок позволяют за счет выбора необходимых значений степени усечения образца, глубины и ширины обеих канавок, угла их раскрытия, а также радиусов их скругления, моделировать вид и уровень НДС реального конструктивного элемента, возникающего в возможном очаге его разрушения. Это, в свою очередь, позволяет оценивать конструкционную прочность материала во всем диапазоне условия (3) на стадии лабораторных исследований материала на типовых одноприводных испытательных машинах и, существенно, сократить и упростить за счет этого цикл проектирования высоконагруженных конструкций и их элементов.

Список использованной литературы

1. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. - М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

2. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. - Новосибирск: Наука, 2005. - 610 с.

3. Цвик Л.Б., Пимштейн П.Г, Борсук Е.Г. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния многослойного цилиндра с монолитным вводом // Проблемы прочности. - 1978. - №4. - С. 74-77.

4. Л.Б. Цвик, Б.А. Щеглов, С.И. Федотова и др. Укрепление отверстий и статическая прочность осесимметричных штуцерных узлов // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1993. - №1. - С. 58-65.

5. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. - К.: Изд-во Дельта, 2008. - 816 с.

6. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Инженерные методы. - Л.: Машиностроение, 1968. - 272 с.

7. Agogino A.M. Notch effects, stress state and ductility // Journal of Engineering Materials and Technology, Transactions of the ASME. - 1978. - V. 100. - pp. 348-355.

8. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных), ГосНИИВ. - М.: ВНИИЖТ, 1996 (с изменениями и дополнениями).

9. Zenkov E.V., Tsvik L.B. Formation of divergent testing efforts and experimental evaluation of material strength under biaxial stretching // PNRPU Mechanics Bulletin. - 2015. - No. 4. - pp. 110-120.

10. Вилимок Я.А., Назаров К.A., Евдокимов A.К. Напряженное состояние плоских образцов при одноосном и двухосном растяжении // Известия ТулГТУ. Технические науки. - 2013. - №11. - С. 388-393.

11. ГОСТ 33783-2016. Колесные пары железнодорожного подвижного состава. Методы определения показателей прочности: межгосударственный стандарт: дата введения 2017-05-01 / разраб. ОАО "Научно-исследовательский конструкторско-технологический институт подвижного состава". - М.: Стандартинформ, 2016. - 57 с.

12. ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости. - М.: Стандартинформ. 2005. - 55 с.

13. Зеньков Е.В., Цвик Л.Б., Пыхалов А.А. и др. Иркутский государственный университет путей сообщения. Призматический образец для оценки прочности материала. Патент №2516599 РФ, МПК G01N 1/28 // №2012140619/28. Заявл. 21.09.2012. Опубл. 20.05.2014, Бюл. №14.

14. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определения характеристик трещиностойкости при статическом нагружении. Сб. стандартов. - М.: Стандартинформ, 2005 г. - 38 с.

15. Третьякова Т.В., Третьяков М.П., Лунегова Е.М. Влияние вида напряженно-деформированного состояния на эффекты прерывистой текучести и кинетику полосообразования в сплаве АМг6б // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2021. - No 4. - С. 122-135. DOI: 10.15593/perm. mech/2021.4.12

16. Цвик Л.Б., Пыхалов А.А., Храменок М.А. и др. Иркутский государственный университет путей сообщения. Образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии. Патент №2360227 РФ, МПК G01N 3/08 // №2012140619/28 Заявл. 21.09.2012. Опубл. 20.05.2014, Бюл.№14.

17. Цвик Л.Б., Зеньков Е.В., Бочаров И.С.и др. Иркутский государственный университет путей сообщения. Дисковый образец для оценки конструкционной прочности материала. Патент №2734276 РФ, СПК G01N 1/28/ / №2019133638. Заявл. 22.10.2019. Опубл. 14.10.2020 г., Бюл. №29.

Изобретение относится к испытательной технике. Раскрыт образец для оценки прочности материала, представляющий собой часть круглого диска, образованную его усечением двумя плоскостями, симметричными относительно ее геометрического центра и перпендикулярными ее срединной поверхности, имеющую поверхность опирания, поверхность нагружения, при этом образец содержит канавки в виде краевых надрезов с U- или V-сечением профиля, расположенные как на поверхности опирания, так и на поверхности нагружения, а направляющие линии этих канавок лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях. Изобретение обеспечивает создание в рабочей зоне напряженно-деформированного состояния, в котором на дне нижней канавки в ее поперечном сечении возникают растягивающие напряжения, а напряжения на дне верхней канавки в ее поперечном сечении – сжимающие. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Образец для оценки прочности материала, представляющий собой часть круглого диска, образованную его усечением двумя плоскостями, симметричными относительно ее геометрического центра и перпендикулярными ее срединной поверхности, имеющую поверхность опирания, поверхность нагружения, отличающийся тем, что содержит канавки в виде краевых надрезов с U- или V-сечением профиля, расположенные как на поверхности опирания, так и на поверхности нагружения, а направляющие линии этих канавок лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях.

2. Образец по п. 1, отличающийся тем, что канавки на его поверхностях имеют прямолинейную направляющую линию.

3. Образец по п. 1, отличающийся тем, что одна или обе канавки на его поверхностях имеют круговую направляющую линию.