СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2024 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к методу определения усталостной долговечности металлоконструкций подъемно-транспортных машин, которые испытывают многоцикловое асимметричное нагружение.

Известен способ расчета долговечности металлоконструкций при непостоянном цикле нагружения по гипотезе суммирования усталостных напряжений (известна также как гипотеза Пальмгрена-Майнера), которая основывается на суммировании отношений числа отработанных циклов при определенном уровне напряжений к числу циклов, которое отработала бы металлоконструкция, если бы конструкция работала постоянно при данном уровне напряжений, представленная в книге [Карзов Г.П., Марголин Б.З., Швецова В.А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения - СПб.: Политехника, 1993. - 391 с.: ил.]. Согласно методике, сумма поврежденностей должна быть равна определенному коэффициенту С, который определяется из эксперимента.

Недостатком данного способа является широкий разброс значений коэффициента С, определяемого из условия эксперимента, варьирующийся в пределах от 0,7 до 2,2 [Kuang-Hua Chang, 2015. Chapter 9 - Fatigue and Fracture Analysis, Computer-Aided Engineering Design, 463-521, 463-521, DOI: 10.1016/B978-0-12-382038-9.00009-0], что делает прогноз долговечности затруднительным для разных конструкций. Несмотря на то, что инженерные методы определения выносливости механизмов и элементов несущих конструкций грузоподъемных машин достаточно хорошо разработаны в рамках существующих представлений о природе усталости металлов, при определении долговечности возможны значительные ошибки, связанные с использованием гипотезы линейного суммирования усталостных повреждений и независимости повреждающего действия цикла напряжений от места в общем спектре нагружения. Недостатком способа линейного суммирования усталостных повреждений является то, что при расчете проводится перегруппировка циклов реального спектра напряжений, замена случайного спектра стационарным режимом и замена асимметричного цикла симметричным. При этом прогноз долговечности на основе линейной гипотезы часто является недостоверным, а именно систематически расходящийся с опытной долговечностью.

Известен способ определения остаточного ресурса металлоконструкций [патент Ru 2 292 028, 20.01.2007], который заключается в измерении коэрцитивной силы в опасных зонах и сравнении их со статистическими данными о количестве включений обследуемого элемента металлоконструкции, на основании чего рассчитывается остаточный ресурс металлоконструкции. Недостатком данного способа является то, что значение коэрцитивной силы имеет разброс значений и изначальная намагниченность материала неизвестна, если не был выполнен замер коэрцитивной силы перед началом эксплуатации, тогда сравнивание значений и использование выведенных зависимостей коэрцитивной силы является некорректным.

Наиболее близким к предлагаемому способу определения усталостной долговечности металлоконструкций является способ определения усталостной долговечности элементов конструкций с упрочненным поверхностным слоем по А.с. СССР 795153, опубликовано 11.10.2005, заключающийся в том, что в элементе конструкции измеряют остаточные от поверхностного упрочнения напряжения, нагружают элемент конструкции при изменяющихся внешних воздействиях и по результатам нагружения определяют усталостную долговечность элемента конструкции, при этом с целью определения остаточной долговечности элемента конструкции после наработки, дополнительно измеряют остаточные напряжения в поверхностном слое элемента конструкции после наработки, определяют по измеренным величинам остаточных поверхностных напряжений в исходный момент и после наработки предельную долговечность, соответствующую нулевому значению остаточных поверхностных напряжений, и находят остаточную долговечность как разность предельной долговечности и времени наработки. Недостаток данного способа заключается в необходимости постоянно выполнять замеры остаточных напряжений и сопоставлять их со статическим накоплением информации о изменении остаточных напряжений и характере эксплуатации.

Техническая проблема заключается в низкой точности известных способов определения усталостной долговечности металлоконструкций без учета эффекта взаимодействия напряжений разного уровня, асимметрии цикла, механических свойств материала крановой металлоконструкции и зависимости повреждающего действия цикла напряжений от истории нагружения.

В предлагаемом способе определения усталостной долговечности конструкций, нагружают конструкцию при изменяющихся внешних воздействиях и определяют усталостную долговечность. При этом в качестве конструкции используют крановую металлоконструкцию, которую нагружают весом поднятого груза, в процессе каждого нагружения крановой металлоконструкции измеряют вес поднятого груза, при каждом цикле нагружения крановой металлоконструкции определяют предел прочности, при каждом цикле нагружения крановой металлоконструкции определяют текущее значение напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки. Нагружение крановой металлоконструкции производят до тех пор, пока предел прочности материала металлоконструкции выше текущего значения напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки, при этом усталостную долговечность определяют как значение количества отработанных циклов до тех пор, пока предел прочности материала металлоконструкции выше текущего значения напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки.

Текущее значение предела прочности S_B определяют по формуле

S_B = S_B0 - (S_B0 - σ_ri)/(N/(σ_ri/σ_RKi)^α)^m·(n_e+n)^m,

где

S_{B 0} - исходное значение предела прочности без циклической наработки,

σ_ri - текущее значение напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки, которое приведено к симметричному циклу нагружения,

N - базовое число циклов, на котором определен σ_-1 предел выносливости материала для симметричного цикла нагружения,

σ_RKi - предел выносливости материала при коэффициенте асимметрии R_i,

α - показатель усталостной кривой Веллера,

m - кинетический коэффициент, который определяют известным способом [Емельянов И.Г., Миронов В.И. Долговечность оболочечных конструкций. Екатеринбург: РИО УрО РАН. 2012. 217с.],

n_e -эквивалентное число циклов, учитывающее эффект взаимодействия напряжений разного уровня,

n - количество циклов, которые испытывает подряд при одном и том же уровне напряжений σ_i, возникающих в металлоконструкции от действующей нагрузки.

Текущее значение напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки, которое приведено к симметричному циклу нагружения, определяют по формуле:

σ_ri = σ_i·(σ_-1/σ_RKi)

σ_i - текущее значение напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки,

σ_-1 - предел выносливости материала для симметричного цикла нагружения,

σ_RKi - предел выносливости материала при коэффициенте асимметрии R_i.

Эквивалентное число циклов определяют по формуле:

n_e = (n_e+n)·(σ_ri/σ_RKi·σ_rj/σ_RKj)^α·((S_B0 - σ_ri)/(S_B0 - σ_rj))^1/m,

где

n_e - эквивалентное число циклов определенное при предыдущем расчете, если это первый цикл расчета, тогда n_e = 0,

n - количество циклов, которые испытывает подряд при одном и том же уровне напряжений σ_i,

σ_ri - текущее напряжение цикла в металлоконструкции,

σ_RKi - предел выносливости материала при коэффициенте асимметрии R_i,

σ_rj и σ_RKj - напряжение цикла в металлоконструкции, приведенное к симметричному циклу нагружения, и значение предела выносливости материала при коэффициенте асимметрии R_j для следующего цикла нагружения после σ_i,

S_{B 0} - исходное значение предела прочности без циклической наработки,

α - показатель усталостной кривой Веллера,

m - кинетический коэффициент, который определяют известным способом [Емельянов И.Г., Миронов В.И. Долговечность оболочечных конструкций. Екатеринбург: РИО УрО РАН. 2012. 217с.].

Сущность изобретения пояснена следующими фигурами.

Фиг.1 - Пример спектра случайных напряжений, возникающих в металлоконструкции от действующей нагрузки на интервале в 100 циклов

Применение данного способа для проектируемой металлоконструкции позволяет выполнить более точный прогноз долговечности, основываясь на механических свойствах материала, что в свою очередь заключается в повышении достоверности результатов прогнозирования.

В качестве примера осуществления способа определена усталостная долговечность металлоконструкции пролетной балки мостового крана с грейфером. Расчетные значения напряжений от действия изгибающего момента: σ_max = 176 МПа; σ_min = 74 МПа. Неравномерность загрузки грейфера крана при каждом зачерпывании оценивается интервалом значений 60÷100%. Спектр случайных напряжений, возникающих в металлоконструкции от действующей нагрузки на интервале в 100 циклов, представлены на фиг. 1. Механические характеристики стали 09Г2С ГОСТ 380-2005: предел прочности 470 МПа, предел текучести 255 МПа, предел выносливости для симметричного цикла σ_-1К = 36 МПа, базовое число циклов N = 2⋅10⁶, показатель усталостной кривой α = 5,3, кинетический коэффициент для стали 09Г2С m=2. Также в процессе определения долговечности по предлагаемому методу были введены редкие пиковые перегрузки равные 220 МПа через каждый 50 тысяч циклов, что характерно попаданию твердой породы в процессе зачерпывания. Представленная выборка случайных значений из 100 циклов повторялась до выполнения критерия усталостного разрушения.

Долговечность, определенная по предлагаемому способу с учетом редких пиковых перегрузок, составляет 650,8 тыс. циклов до усталостного разрушения. Расчет по линейной гипотезе суммирования повреждений составляет 794,7 тыс. циклов. Разница в расчете в 22% по сравнению с консервативной методикой не в запас долговечности. Долговечность в годах при выполнении в сутки 100 циклов подъема и опускания и 300 рабочими дням в году составляет 21,5 год, что на 5 лет меньше, чем по линейной гипотезе суммирования усталостных напряжений.

Изобретение относится к методу определения усталостной долговечности металлоконструкций подъемно-транспортных машин, которые испытывают многоцикловое асимметричное нагружение. Сущность: нагружают крановую металлоконструкцию весом поднятого груза, при этом в процессе каждого нагружения крановой металлоконструкции измеряют вес поднятого груза, при каждом цикле нагружения крановой металлоконструкции определяют предел прочности с учетом эффекта взаимодействия напряжений разного уровня, асимметрии цикла, механических свойств материала крановой металлоконструкции и зависимости повреждающего действия цикла напряжений от истории нагружения, при каждом цикле нагружения крановой металлоконструкции определяют текущее значение напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки. Нагружение крановой металлоконструкции производят до тех пор, пока предел прочности материала металлоконструкции выше текущего значения напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки. Усталостную долговечность определяют как значение количества отработанных циклов до тех пор, пока предел прочности материала металлоконструкции выше текущего значения напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки. Технический результат: возможность выполнить более точный прогноз долговечности, основываясь на механических свойствах материала, что в свою очередь заключается в повышении достоверности результатов прогнозирования. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения усталостной долговечности конструкций, при котором нагружают конструкцию при изменяющихся внешних воздействиях, определяют усталостную долговечность, отличающийся тем, что в качестве конструкции используют крановую металлоконструкцию, которую нагружают весом поднятого груза, при этом в процессе каждого нагружения крановой металлоконструкции измеряют вес поднятого груза, при каждом цикле нагружения крановой металлоконструкции определяют предел прочности с учетом эффекта взаимодействия напряжений разного уровня, асимметрии цикла, механических свойств материала крановой металлоконструкции и зависимости повреждающего действия цикла напряжений от истории нагружения, при каждом цикле нагружения крановой металлоконструкции определяют текущее значение напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки, при этом нагружение крановой металлоконструкции производят до тех пор, пока предел прочности материала металлоконструкции выше текущего значения напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки, при этом усталостную долговечность определяют как значение количества отработанных циклов до тех пор, пока предел прочности материала металлоконструкции выше текущего значения напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что текущее значение предела прочности S_B определяют по формуле

S_B = S_B0 – (S_B0 – σ_ri)/(N/(σ_ri/σ_RKi)^α)^m·(n_e+n)^m,

где

S_B0 – исходное значение предела прочности без циклической наработки,

σ_ri – текущее значение напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки, которое приведено к симметричному циклу нагружения,

N – базовое число циклов, на котором определен σ_-1 предел выносливости материала для симметричного цикла нагружения,

σ_RKi – предел выносливости материала при коэффициенте асимметрии R_i,

α – показатель усталостной кривой Веллера,

m – кинетический коэффициент, который определяют известным способом,

n_e – эквивалентное число циклов, учитывающее эффект взаимодействия напряжений разного уровня,

n – количество циклов, которые испытывает подряд при одном и том же уровне напряжений σ_i, возникающих в металлоконструкции от действующей нагрузки.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что текущее значение напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки, которое приведено к симметричному циклу нагружения, определяют по формуле:

σ_ri = σi·(σ_-1/σ_RKi)

σ_i – текущее значение напряжения, возникающего в металлоконструкции от действующей нагрузки,

σ_-1 – предел выносливости материала для симметричного цикла нагружения,

σ_RKi – предел выносливости материала при коэффициенте асимметрии R_i.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что эквивалентное число циклов определяют по формуле:

n_e = (n_e+n)·(σ_ri/σ_RKi·σ_rj/σ_RKj)^α·((S_B0 – σ_ri)/(S_B0 – σ_rj))^1/m,

где n_e – эквивалентное число циклов, определенное при предыдущем расчете, если это первый цикл расчета, тогда n_e = 0,

n – количество циклов, которые испытывает подряд при одном и том же уровне напряжений σ_i,

σ_ri – текущее напряжение цикла в металлоконструкции,

σ_RKi – предел выносливости материала при коэффициенте асимметрии R_i,

σ_rj и σ_RKj – напряжение цикла в металлоконструкции, приведенное к симметричному циклу нагружения, и значение предела выносливости материала при коэффициенте асимметрии R_j для следующего цикла нагружения после σ_i,

S_B0 – исходное значение предела прочности без циклической наработки,

α – показатель усталостной кривой Веллера,

m – кинетический коэффициент, который определяют известным способом.