Напряжений концентрация

При определении допускаемых напряжений коэффициенты долговечности Кт и KFL находят для относительного движения колес, т. е.

т. е. полагают, что предельные амплитуды напряжений (амплитудные пределы выносливости) на участке диаграммы (см. рис. 15.4) между симметричным циклом (точка А) и статическим нагруженном (при а„ = 0, точка В) изменяются линейно при увеличении am. Аналогично записывается зависимость тдп = / (тт) с коэффициентом \/т для касательных напряжений. Коэффициенты \/0 и \/т характеризуют влияние чувствительности материала образца или детали к асимметрии цикла. Их значения принимают в зависимости от вида деформации1 и предела прочности материала детали:

Общие коэффициенты концентрации напряжений (коэффициенты снижения предела выносливости) (АГ0)д и (KJD для рассматриваемого сечения детали определяют с использованием пгавеценных вышр данных по формулам:

ти расчетный анализ прочности и долговечности машин и конструкций при малоцикловом нагружении на различных стадиях их эксплуатации. Для аустенитных, хромоникелевых сталей максимальные температуры цикла ограничиваются верхним пределом 450 °С, для углеродистых и низколегированных сталей — пределом 350 °С. В таком диапазоне температур не возникают статические и повторные деформации ползучести, поэтому f в расчетах на малоцикловую прочность температурно-временные эффекты не учитываются. Это обстоятельство позволяет существенно упростить методику, в расчете прочности и долговечности в качестве исходных для заданного режима эксплуатации устанавливаются амплитуды местных, упруго-пластических деформаций (или местных условий упругих напряжений), коэффициенты асимметрии цикла и число циклов нагружения.

При исследовании влияния асимметрии цикла нагружеиия необходимо прежде всего учитывать, что в области положительных зна-чм1ий номинальных напряжений коэффициенты асимметрии цикла, выраженные через напряжения Ла и через КИН /?&, совпадают. В случае зиг ко [временных циклов (по номинальным напряжениям)

Развитие этих деформаций и повреждений по мере накопления числа циклов зависит от таких важных факторов, как уровень эксплуатационных нагрузок, циклические свойства материалов, максимальные температуры и длительность нагружения в цикле. Если температуры эксплуатации сравнительно невелики и не связаны с образованием статических и повторных деформаций ползучести, то в разрабатываемых методах расчета конструкций на малоцикловую прочность температурно-временные эффекты не учитываются. Это обстоятельство позволяет существенно упростить методику расчета: в расчете прочности и долговечности в качестве исходных для заданного режима эксплуатации устанавливаются амплитуды местных, упругопластических деформаций (или местных условных упругих напряжений), коэффициенты асимметрии цикла и число циклов нагружения. Расчет сводится:

Коэффициенты интенсивности напряжений определяют с помощью решения задачи теории упругости.

— диаметры поперечных сечений гайки, внешний и по дну нарезки. Наибольшие величины К, т. е. К = шах К, получаемые для шпильки и гайки по впадине возле 1-го нагруженного витка, используются для оценки прочности этих деталей при учете действия осевого растягивающего усилия. Для конструкции, приведенной на рис. 3, получаются таким образом с принятием указанных выше номинальных напряжений коэффициенты концентрации К = 3,6 (для шпильки, растяжение) и К = 4,6 (для гайки, сжатие); если принять за о"ном для гайки величину номинального напряжения по ослабленному резьбой сечению шпильки, то для гайки К = 4,1. Рассмотренный вид просвечиваемых моделей, выполненных в увеличенном масштабе и нагружаемых при комнатной температуре, позволяет, как показывает рассмотренный случай, решить задачу распределения напряжений в резьбовом соединении с большим числом контактных сопряжений с учетом влияющих особенностей выполнения и работы под нагрузкой таких соединений. Экспериментальное исследование резьбового соединения на действие изгибающего момента в шпильке проводится так же, как на растяжение.

Более сильное отрицательное влияние оказывают дефекты на работу конструкции под усталостной нагрузкой. Каждый, даже небольшой дефект непровара является концентратором напряжений. Концентрация напряжений (концентрация деформаций) от дефектов является источником зарождения первичных трещин, распространяющихся при повторных нагружениях или с течением времени. Иногда трещины значительной длины возникают внезапно и служат причиной аварий, например, в конструкциях подъемно-транспортных машин, в строительных и других объектах, а также в конструкциях оболочкового типа (газопроводы, сосуды давления), где образовавшаяся трещина может распространяться на большом протяжении.

Усик перенесен в головку в область низких напряжений. Концентрация напряжений остается

Усик выполнен заодно с головкой. Концентрация напряжений практически устранена

Концентрация напряжений в металлических материалах, связанная с надрезами, канавками, отверстиями или другими дефектами, как правило, приводит к снижению предела выносливости. Необходимо отметить, что усталостная трещина сама по себе является надрезом, вызывающим высокую концентрацию напряжений. В области концентратора повышается локальное напряжение в материале. Фактическое напряжение у вершины концентратора атах значительно больше номинального стн Отношение отах/ст„=а0 называется теоретическим коэффициентом концентрации напряжений при их упругом распределении. Снижение пределов выносливости при наличии концентратора напряжений оценивается эффективными коэффициентами концентрации:

Влияние концентрации напряжений. Концентрация (сосредоточение) напряжений вблизи поверхности деталей представляет

Концентраторы напряжений (в макромасштабе) могут быть определены как резкие изменения в геометрии или свойствах материала, вызывающие изменения величины действующих нагрузок и (или) интенсивности напряжений. Изменение толщины или отверстия в слоистом композите является примером влияния геометрии на концентрацию напряжений. Концентрация напряжений из-за изменений в свойствах материала возникает, например, тогда, когда в слоистый композит в процессе его изготовления вводят металлические вкладыши или прокладки. В этом разделе рассматриваются только концентраторы напряжений, порожденные нарушениями непрерывности материала. Резкие изменения в свойствах материала почти всегда связаны с клеевыми или механическими соединениями, анализ которых содержится в следующем разделе главы. Концентраторы напряжений могут быть двух типов: заранее известными (или заданными) и случайными. Концентраторы первого типа образуются при формовании изделий или в результате их механической обработки. Случайные концентраторы могут быть следствием частичного разрушения под действием внешних сил (например, пулевое отверстие). Некоторые вопросы общего характера, касающиеся этих проблем, будут рассмотрены раздельно, однако основное внимание уделено исследованию концентраторов в виде заранее заданных круговых отверстий.

Концентрация напряжений. Концентрация напряжений для большинства сталей и сплавов в коррозионной среде снижает свое отрицательное влияние на усталостную прочность. Предполагается, что это ослабление связано с более интенсивным растворением металла для концентратора напряжения, как более анодного по отношению к соседним, менее напряженным участкам металла, а также с образованием сетки трещин у дна концентратора, являющихся как бы дополнительными концентраторами, ослабляющими эффективность действия основного (рис. 31). Однако для некоторых коррозионно-стойких сталей возможно интенсифицирование действия концентратора напряжений в коррозионной среде вследствие действия коррозии (например, щелевой) [11].

Остановимся на вопросе о величине коэффициента запаса в связи с концентрацией напряжений. Концентрация напряжений способствует переходу материала от пластичного поведения к хрупкому. Однако совокупность всех условий (скорость деформирования, уровень температуры, характер концентратора) в одних случаях приводит к хрупкому, а в других — к пластичному поведению материала.

Одним из ярких проявлений неоднородности напряженного состояния является концентрация напряжений.

Концентрация напряжений препятствует развитию пластических деформаций по всему объему — происходит локализация пластических деформаций в небольшой области. Поэтому при наличии

Детали машин, как правило, имеют конструктивные концентраторы напряжений. Концентрация растягивающих напряжений приводит к сильному понижению сопротивления деталей усталостному разрушению. В этих случаях сопутствующие наклепу остаточные сжимающие напряжения особенно благоприятны Они значительно снижают, а во многих случаях полностью ликвидируют отрицательное влияние концентраторов напряжений. Проявление поверхностного наклепа особенно полезно в тех случаях, когда работоспособность детали определяется ее сопротивлением усталостным разрушениям, т. е. сопротивлением образованию и развитию трещин под влиянием циклически меняющихся напряжений [60].