Способ оценки напряженного состояния элементов конструкции в зоне разрушения Советский патент 1993 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материала и конструктивных элементов, в частности к способам оценки напряженного состояния элементов конструкции, и может быть использовано для оценки работоспособности конструкции и ресурса долговечности.

Известен способ оценки напряженного состояния элементов по методу Шнадтэ, заключающийся в том, что образцы подвергают статической нагрузке, и в качестве безразмерной числовой меры степени мно- гоосности напряженного состояния принимают пластификационную способность П, для определения которой рассчитывают эталонное напряжение 7и по гипотезе энергии формоизменения и определяют наибольшее главное напряжение п- .

Известен также способ оценки напряженного состояния, при котором образцы из исследуемого материала подвергают статическому нагружению, замеряют максимальные касательные гмахи октээдрические касательные (нормальные) от напряжения, по отношению которых судят о напряженном состоянии элемента конструкции.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является способ оценки напряженного состояния элементов конструкции Г.А. Смирнова-Аляева.

Способ заключается в том, что образцы из материала конструкции с надрезом и без надреза .подвергают нагружению до разрушения, определяют параметры их напряженного состояния, с учетом которых судят о показателе П напряженного состояния

sj 00

со

ел о

конструкции. В качестве параметров напряжённого с бстЪяШя определяют главкые напряжения, а показатель П рассчитывают по следующей формуле:

СТ1 + 02 + 03

П

о

где ai , 02 . Оз - главные напряжения;

Oj - истинное сопротивление деформированию.

Недостатком известного способа является невысокая точность и достоверность оценки из-за невозможности оценить реальное напряженное состояние с учетом неоднородности состояния материала конструкции при локализации напряжения в микрообъеме, а также в процессе разрыва межатомных связей при нагрузках значительно меньших прочности межатомных связей.

Целью изобретения является повышение точности оценки за счет учета неоднородности состояния материала конструкции.

Для этого образцы из материала конструкции с-надрезом и без надреза подвергают нагружению до разрушения, определяют параметры их напряженного состояния, с учетом которых судят о показателе П напряженного состояния элемента конструкции, при нагружении образцов с надрезом и без надреза определяют их пределы прочности, пределы текучести и пределы усталости, замеряют температуру окружающей среды разрушения, а показатель определяют из следующего соотношения;

П Км1 Кт К i Kv, где

Табс

.к, Ов . „ 0i .

-т- т- ,I4J - (г , NV - п , .

I абс - I он°о О-1

.Км - механический коэффициент концентрации напряжений;

Кт температурный коэффициент концентрации напряжений;

Табс. - температура абсолютного нуля;

Топ -температура окружающей среды в зоне разрушения;

Ко - коэффициент формы;

Kv - коэффициент конструкции напряжений, учитывающий их локализацию в зоне разрушения.

Способ реализуют следующим образом.

По меньшей мере два образца, один с надрезом, другой без надреза нагружают до разрушения, Определяют пределы прочности при разрушении образца с надрезом о в и без надреза ас , пределы текучести о т и усталости а -1 и замеряют температуру окружающей среды в зоне разрушения Т0п. Затем по измеренным величинам подсчитывают температурный коэффициент концентрации напряжений по формуле

,, Табс

KT - т . т-

1 абс I он

где Табс. - температура абсолютного нуля (-273°С);

Топ - температура окружающей среды в зоне разрушения.

Механический коэффициент концентрации напряжений рассчитывают по известной формуле Бриджмена Км 1+3lrr(1+d/4R), где d-диаметр образца;. R - радиус надреза.

Используя полученные в процессе испытания величины, определяют коэффициент формы

К,г-«в

К(/ С7о

и коэффициент концентрации напряжений

„OV

Kv -fj-rC учетом их локализации.

По полученным результатам определяют показатель напряженного состояния элементов конструкции по следующему соотношению:

Пи Км -Кт Kg Kv

и по найденному значению судят о.напряженном состоянии нагружённых элементов конструкции.

Повышение точности оценки напряженного состояния элементов конструкции достигается за счет того, что напряженное состояние элементов в зоне разрушения определяется с учетом неоднородности состояния материала конструкции. . Использование предложенных параметров напряженного состояния позволяет учитывать особенности явлений, происходящих при поверхностном пластическом де- формировании, принимая во внимание влияние фактора материала, формы надреза, температуры при разрушении, что также повышает точность и достоверность оценки искомой величины опасного сечения.

Пример, Для оценки напряженного состояния определяли величину показателя

напряженного состояния цилиндрических образцов d 6 мм, гладких и с надрезом, изготовленных из стали 16ХСН, в отожженном состоянии. Температура отжига - 750- +10°С, время 6 ч. Радиус кривизны надреза

RH 8 мм. Глубина надреза 2 мм. Гладкие и надрезанные образцы подвергали статическому и переменному нагружению до разру- шения. Испытания проводились по стандартной методике (ОСТ 00152-74) на испытательном комплексе, представляю.идем собой ряд установок, смонтированных на общем основании.

По результатам испытаний определяли пределы прочности образцов без надреза О0 500 МПа и с надрезом ае 650 МПа, предел текучести аг 300 МПа, предел усталости гладкого образца а, 184 МПа.

Температура окружающей среды в зоне разрушения равна температуре испытаний Топ 20°С.

Рассчитывали механический коэффициент концентрации напряжений по формуле Бриджмена Км 1 + 3 In (1+ d/4R) 1,49. Температурный коэффициент концентра-273°ции напряжений Кт --- 0,93. Коэф-е.уо фициент формы рассчитывается по формуле

Kg- 7f- 1.3. Коэффициент концентрации

напряжений, учитывающий их локализацию в зоне разрушения о 300

Kv

1,63.

(7-1 184

Рассчитывали показатель напряженного состояния образцов по соотношению

П Км-КгК Ку 1,490.931,3-1,63 2,93 .

Подобным образом определяли показатель напряженного состояния стали 16ХСН, с 6 мм, с радиусом надреза RH 4,2; 1,7; 0,7мм.

Результаты испытаний занесены в таблицу, в которой приведены также значения предельных деформаций Е, соответствующих началу разрушения и характеризующих пластичность материала.

Из данных, занесенных в таблицу, можно сделать вывод, что с увеличением остроты надреза увеличивается величина показателя напряженного состояния образцов, а пластичность уменьшается.

Показатель позволяет оценить напряженное состояние исследуемого образца с учетом неоднородности состояния материала образца и в связи с этим определить способность материала деформироваться без разрушения (определить запас пластичности материала в зоне поверхностного дефекта).. .

Показатель П, определяемый по предлагаемому способу, является обобщающим для оценки напряженного состояния при любой схеме деформации (осадка, высадка и т.д.).

Оценивая напряженное состояние конструкции по предлагаемому способу, установлено, что для ряда изделий допустимая ГОСТами или ТУ глубина поверхностного дефекта на прутках и проволоке, использу0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

емых для холодной высадки крепежных деталей, является заниженной. Это означает, что дефект такой глубины создает на поверхности локальное напряженное состояние, которое не сопровождается возникновением видимой трещины на заготовке. А это в свою очередь дает возможность при производстве некоторых изделий пропускать без дополнительной обработки (обточки или шлифования) прутки и проволоку, ранее бракуемые по глубине поверхностного дефекта.

При оценке напряженного состояния элементов конструкции известным способом, принятым за прототип, невозможно оценить степень локализации деформации при многоцикловых усталостных испытаниях.

Применение данного способа оценки напряженного состояния при проектировании элементов конструкций, например,крепежных систем, позволяет прогнозировать, оптимальные технологические варианты процесса изготовления и без существенных затрат получать максимальный эффект за счет снижения трудозатрат, экономии энергии и материалов, повышения качества, надежности и долговечности.

Формула изобретения

Способ оценки напряженного состояния элементов конструкции в зоне разрушения, заключающийся в том, что образцы из материала конструкции с надрезом и без надреза подвергают нагружению до разрушения, определяют параметры их напряженного состояния, с учетом которых судят о показателе П напряженного состояния элемента конструкции, отличающийся тем, что, с целью повышения точности путем учета неоднородности состояния материала конструкции, при нагружении образцов с надрезом и без надреза определяют их пределы прочности, пределы текучести и пределы усталости, замеряют температуру окружающей среды в зоне разрушения образцов, а показатель П определяют из следующего соотношения:

П Км Кт Kg- Ку где

Табс. „ С/е . ,/ (J

Кт

|/

.

Табс - TQH

Км - механический коэффициент концентрации напряжений;

Кт - температурный коэффициент концентрации напряжений;

Табс - температура абсолютного нуля;

Топ - температура окружающей среды в зоне разрушения;

Ка коэффициент формы;

Oe - предел прочности образца с надрезом:

а0 - предел прочности образца без надреза;.

Kv - коэффициент концентрации напряжений, учитывающий локализацию напряжений в зоне разрушения;

От и а- 1 - соответственно пределы текучести и усталости.

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материала и конструктивных элементов, в частности к способам оценки напряженного состояния элементов конструкции, и может быть использовано для оценки работоспособности конструкции и ресурса долговечности. Цель изобретения: повышение точности за счет учета неоднородности состояния материала конструкции. Сущность изобретения: образцы из материала конструкции с надрезом и без надреза подвергают нагружению до разрушения. При нагружении образцов определяют их пределы прочности, пределы текучести и пределы усталости и замеряют температуру окружающей среды в зоне разрушения образцов. Показатель напряжен- ногосостояния определяютиз соотношения приведенного в тексте описания.Изобретение позволяет учитывать особенности явлений, происходящих при поверхностном пластическом деформировании, принимая во внимание влияние фактора материала, формы надреза, температуры при разрушении, что повышает точность и достоверность оценки. 1 табл. ел С