Образец для испытания конструкционной прочности материала Российский патент 2025 года по МПК G01N1/28 G01N3/02 G01N3/08 

Изобретение относится к технике, позволяющей проводить прочностные испытания материалов, в частности к образцам для оценки прочности материалов при сложном напряженно-деформированном состоянии (НДС), характеризуемого двухосным растяжением или сжатием, и может быть использовано при оценке статической и циклической прочности конструкций с различной величиной концентрации механических напряжений, например, в энергетическом оборудовании, сосудах высокого давления, реакторах, несущих элементов транспортной техники и другом высоконагруженном оборудовании.

Ресурс современных конструкций в зависимости от назначения и условий их работы оценивается по характеристикам статической прочности материала конструкции, по характеристикам его циклической прочности, а также по характеристикам его трещиностойкости. Известно, что при различных видах напряженно-деформированного состояния П (далее - коэффициент вида НДС), определяемого отношением

где

σ₁, σ₂, σ₃ - главные напряжения в очаге разрушения,

в условиях всестороннего сжатия, одноосного растяжения и сдвига, а также при сложных видах НДС, являющиеся их комбинацией, а также учитывающие наличие локальных изменений формы деталей, вызывающие интенсивность концентрации напряжений K (далее - коэффициент концентрации напряжений)

где σ_max - максимальное напряжение в зоне расположения концентратора напряжения;

σ_ном - номинальное напряжение в образце без концентратора напряжений, критерии прочности материала конструкций могут существенно различаться. По этой причине, вид НДС в рабочей зоне лабораторных образцов материала, испытываемых до разрушения, должен совпадать с видом НДС в очаге возможного разрушения конструкции [1-4].

Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии (патент РФ RU 2360227 С2 МПК G01N 3/08, опубл. 27.01.2009 г., Бюл. №18) позволяющий изменять коэффициент жесткости напряженного состояния в перемычке в широком диапазоне за счет изменения толщины пластины образца, а также изменения соотношения ширин и глубин канавок на стороне нагружения и на стороне опирания образца, что позволяет создать напряженное состояние, характеризуемое значениями коэффициента концентрации напряжений К, лежащими в диапазоне 0,2<K<0,8.

Недостатком данного изобретения является сложность создания образца с необходимым значением коэффициента концентрации напряжений и коэффициента вида НДС, требующего трудоемкого, с использованием метода конечных элементов, пересчета образцов с различными геометрическими параметрами, тем более сложно, получить при этом необходимый коэффициент вида НДС П.

Также, известен дисковый образец выполненный в виде пластины, принятый в качестве прототипа, представляющей собой часть круглого диска, образованную его усечением двумя плоскостями, симметричными относительно геометрического центра диска и перпендикулярными его срединной поверхности, имеющей поверхность опирания, ограниченную внешним контуром, поверхность нагружения, а также канавку, расположенную на одной из этих поверхностей, образованную движением U-или V-образного сечения канавки вдоль ее направляющей линии. Технический результат: расширение возможности получения двухосного вида НДС, возникающего в рабочей зоне дискового образца за счет изменения его геометрических параметров (патент РФ RU 2734276 С1 МПК G01N 1/28, G01N 3/02 опубл. 14.10.2020 г., Бюл. №29).

Недостатками данного изобретения является сложность создания образца с необходимыми значениями, требующая пересчет образцов с различными геометрическими параметрами, для получения необходимых значений коэффициента вида НДС П, а также еще большей сложности получения коэффициента концентрации напряжений К, вследствие существенного влияния П и К друг на друга. Так, например, получить значение П = 2 возможно только при отсутствии концентратора напряжений (К = 1), а при глубине канавки образца равной половине его толщины коэффициент вида НДС принимает значение 1,5 и не зависит от степени усечения образца.

Задачей данного изобретения является создание дискового образца, позволяющего изменять коэффициент вида НДС П и коэффициент концентрации напряжений К с минимальной зависимостью друг от друга, а также получить возможность рассчитывать геометрические параметры образца с заданными значениями П и К с использованием математических зависимостей. Метод конечных элементов применять только для контроля рассчитанных параметров.

Поставленная задача решается тем, что образец для испытания конструкционной прочности материала, в виде круглой пластины, имеющей поверхность опирания на плоскости по внешнему периметру, поверхность нагружения в центре, а также концентраторы напряжений, отличающийся тем, что на одной из этих поверхностей расположены два концентратора напряжений в виде диаметрально расположенных под углом друг к другу U-или V-образных канавок, причем, угол α между последними с заданным значением П рассчитывается по формуле

где α - угол между канавками, рад;

С₁, С₂, С_з, С₄, С₅, С₆, С₇ - параметрические коэффициенты зависимости различных углов между канавками от величины П, учитывающие геометрические параметры образца, рад

σ₁, σ₂, σ₃ - главные напряжения в очаге разрушения, Па,

причем, глубину канавок t с заданным значением K и углом α между ними рассчитывают по формуле

где t - глубина канавок, мм;

Н - толщина образца, мм;

K = σ_max/σ_ном;

σ_max - максимальное напряжение в пересечении канавок, Па;

σ_ном ^_ номинальное напряжение в образце без канавок, Па;

В₁, В₂, В₃, В₄, В₅, В₆, В₇, В₈ - параметрические коэффициенты зависимости различной глубины канавок t от величины K и угла α между канавками, учитывающие геометрические параметры образца.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами, графиками и изображением. На фиг. 1 представлен чертеж образца для испытания конструкционной прочности материала, где поз. 1 обозначена зона опирания образца, а поз. 2 зона его нагружения; на фиг. 2 - график зависимости угла между канавками от величины коэффициент вида НДС П; на фиг. 3 - зависимость влияния относительной глубины канавок на величину коэффициента концентрации напряжения П при значении угла между канавками α = 90°; на фиг. 4 - влияние величины угла α на коэффициент концентрации напряжений K.

В результате расчета образцов с расположением канавок под различными углами был построен график зависимости угла между ними от величины коэффициент вида НДС П, Фиг. 2, а также установлено, что полученная зависимость может быть описана целой рациональной функцией 6-го порядка

где α - угол между канавками (концентраторами напряжений), град;

С₁, С₂, С₃, С₄, С₅, С₆, С₇ - параметрические коэффициенты, учитывающие геометрические параметры образца, град.

Для образца, диметром 150 мм и толщиной 10 мм значения параметрических коэффициентов (град) приведены в табл. 1.

Аналогичным образом был построен график (Фиг. 3) получена зависимость влияния глубины канавок на величину коэффициента концентрации напряжения П при значении угла между канавками α = 90°, при этом глубина канавки t оценивалась, как ее отношение к толщине образца Н

K = А₁(t/Н) + А₂

_{Для образца, диметром 150 мм и толщиной 10 мм значения параметрических коэффициентов составили А1 = 4,8959 и А2 = 0,319.}

Влияние величины угла а на коэффициент концентрации напряжения K приведены на Фиг. 4. Используя полученные графики, а также зависимость влияния глубины канавок на на величину коэффициент концентрации напряжения при значении угла между ними α = 90° формула для расчета относительной глубины канавок t примет следующий вид

где t - глубина канавки, мм;

Н - толщина образца, мм;

В₁, В₂, В₃, В₄, В₅, В₆, В₇, В₈ - параметрические коэффициенты, учитывающие геометрические параметры образца.

Для образца, диметром 150 мм и толщиной 10 мм значения параметрических коэффициентов (град) приведены в таблице 1

С использованием полученных зависимостей был изготовлен и разрушен образец с U-образными канавками, расположенными под углом α = 90° Фиг. 5. Характер разрушения соответствует выполненным расчетам -разрушение началось в точке пересечения канавок т.е. месте, имеющем максимальное значение коэффициента вида НДС и коэффициента концентрации напряжений.

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. 06.05.2021 ИЗ №2734276

https://www1.fips.ru/registers-doc-

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

view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2734276&TypeFile=html 6/11.

Изобретение относится к технике, позволяющей проводить прочностные испытания материалов. Раскрыт образец для испытания конструкционной прочности материала в виде круглой пластины, имеющей поверхность опирания на плоскости по внешнему периметру, поверхность нагружения в центре, а также концентраторы напряжений, при этом на одной из этих поверхностей расположены два концентратора напряжений в виде диаметрально расположенных под углом друг к другу U- или V-образных канавок, причем угол α между последними определяется с учетом главных напряжений в очаге разрушения, а глубина канавок определяется с учетом угла α между ними. Изобретение обеспечивает возможность изменять коэффициент вида НДС П и коэффициент концентрации напряжений К с минимальной зависимостью друг от друга, а также обеспечивает возможность рассчитывать геометрические параметры образца с заданными значениями П и К. 5 ил., 2 табл.

Образец для испытания конструкционной прочности материала, в виде круглой пластины, имеющей поверхность опирания на плоскости по внешнему периметру, поверхность нагружения в центре, а также концентраторы напряжений, отличающийся тем, что на одной из этих поверхностей расположены два концентратора напряжений в виде диаметрально расположенных под углом друг к другу U- или V-образных канавок, причем, угол α между последними с заданным значением П рассчитывается по формуле

где α - угол между канавками, рад;

С₁, С₂, С₃, С₄, С₅, С₆, С₇ - параметрические коэффициенты зависимости различных углов между канавками от величины П, учитывающие геометрические параметры образца, рад

σ₁, σ₂, σ₃ - главные напряжения в очаге разрушения, Па,

причем, глубину канавок t, с заданным значением K и углом α между ними рассчитывают по формуле

где t - глубина канавок, мм;

H - толщина образца, мм;

K = σ_max/σ_ном;

σ_max - максимальное напряжение в пересечении канавок, Па;

σ_ном - номинальное напряжение в образце без канавок, Па;

В₁, В₂, В₃, В₄, В₅, В₆, В₇, В₈ - параметрические коэффициенты зависимости различной глубины канавок t от величины K и угла α между канавками, учитывающие геометрические параметры образца.