ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Введение (С. В. Сервисен) из "Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность Изд3 " Предельные состояния, несущая способность и запасы прочности. Нроч-ность элементов конструкций оценивается на основе сопоставления возникающих в них усилий от действующих механических нагрузок, тепловых, магнитных и других полей с теми усилиями, которые приводят эти элементы в предельные состояния. Критерии предельных состояний различны в зависимости от условий работы конструкций, механических свойств применяемых материалов, режимов нагружения и тепловых условий. [c.5] Материалы могут быть в вязком состоянии, при котором их разрушению предшествует существенная пластическая деформация и соответствующие затраты механической энергии. Они могут быть в хрупком состоянии, когда их разрушению не предшествует существенная пластическая деформация и процесс разрушения протекает быстро. Их состояния могут быть и промежуточными, когда разрушения сопровождаются незначительными пластическими деформациями и развиваются с невысокими скоростями. При длительных и циклически меняющихся нагрузках медленно протекающие процессы изменения состояния материала порождают явления замедленных во времени усталостных разрушений. В случае длительных статических нагружений в условиях повышенных температур медленно протекающие процессы ползучести и изменения состояния материала являются причиной их замедленного во времени длительного статического разрушения. На состояние материала и его изменения в процессе эксплуатации может оказывать существенное влияние среда (например, поля радиации и высокочастотных механических колебаний). [c.5] Для ряда материалов тепловые условия являются важнейшим фактором. [c.5] Предельная несущая способность де -талей конструкций при вязком состоянии материала рассматривается как такая стадия их нагружения, после которой существенное изменение размеров происходит без значительного увеличения нагрузки, т. е. наступает быстро развивающееся формоизменение. В ряде конструкций предельное состояние такого типа определяется наибольшими допустимыми остаточными перемещениями из условий сопряженной работы с другими узлами. Например, допустимая вытяжка диска турбомашины зависит от регламентируемых зазоров между ротором и корпусом. Образованию предельных состояний предшествует существенное упруго-пластическое перераспределение деформаций и напряжений, поэтому расчетное определение усилий, отвечающих предельным состояниям, требует решения соответствующих задач методами теории пластичности и в частных случаях способами сопротивления материалов. При повторном, ограниченном по числу циклов нагружении за пределами упругости перераспределение напряжений и деформаций может приводить к затуханию накопления пластической деформации, т. е. приспособляемости. [c.5] Предельное состояние деталей конструкций при хрупком или переходном (квазихрупком) от хрупкого к вязкому состоянию материала рассматривается как такая стадия статической или быстро протекающей деформации, при которой возникают условия быстрого развития трещин как существующих в исходном состоянии, так и возникающих от других источников их инициирования (коррозионных дефектов, механических повреждений поверхности и т. д.). С быстрым развитием трещин, которому обычно в металлах сопутствуют незначительные местные пластические деформации, связан механизм хрупкого или квазихрупкого разрушения. Этот процесс имеет ряд особенностей на стадии инициирования, распространения или остановки хрупкого разрушения (если последняя имеет место в силу особенностей распределения напряжений или свойств материала детали в зонах хрупкого разрушения). Он также существенно зависит от степени хрупкости металла детали, т. е. от уровня тех незначительных пластических деформаций, которые сопутствуют быстрому разрушению. [c.6] Многие конструкции этого типа в процессе работы испытывают многократное нагружение усилиями, порождающими в них повторные пластические деформации с ограниченным за весь ресурс числом циклов (измеряемым тысячами). Эти повторные пластические деформации являются причиной возникновения трещин малоцикловой усталости в этом случае рассматривают малоцикловые предельные состояния элементов конструкций, как такие. [c.6] При длительной работе элементов конструкций под переменными напряжениями с большим числом циклов (исчисляемым миллионами) предельные состояния определяются в основном теми изменениями состояния металла, которые постепенно в нем накапливаются в результате циклического деформирования (процесс усталости). Напряженное состояние в этом случае обычно рассматривают как упругое и неизменное во времени, хотя в состав деформаций входит некоторая доля пластических, особенно на начальных стадиях процесса. Предельное состояние характеризуется теми усилиями и пропорциональными им местными напряжениями в зонах концентрации, которые вызывают зарождение усталостной трещины (в пределах.в основном упругих деформаций) после определенного числа циклов. Условия возникновения трещин определяются критериями усталостного разрушения, отражающими как циклические свойства металла, так и особенности распределения напряжений в зонах концентрации. [c.6] При циклически меняющемся длительном нагружении в нагретом состоянии в детали протекают процессы перераспределения деформаций и напряжений в результате как активного деформирования при изменении нагрузки, так и ползучести или релаксации во время выдержек в нагруженном и деформированном состояниях. Расчет усилий, чисел циклов и времен, соответствующих предельным состояниям, основывают на решении задач об упруго-пластическом распределении деформаций и напряжений в зонах концентрации в зависимости от циклов и времени, а также на использовании критериев разрушения (возникновения трещины) в условиях сочетания длительных статических и циклических изменений, постепенно протекающих в материале. [c.7] Таким образом, анализ предельных состояний на основе рассмотрения деформированных состояний в кинетическом смысле и привлечения критериев возникновения трещин или предельно допустимых перемещений позволяет определять соответствующие предельные усилия, числа циклов и время, которые и характеризуют несущую способность детали. Предельным силовым фактором (обозначаемым в общем случае Рпред) может быть сила, момент, давление. [c.7] Использование коэффициента запаса Hq по предельной нагрузке позволяет отразить особенности непропорционального (нелинейного) перехода детали к предельному состоянию в процессе ее нагружения. В пределах упругих деформаций в частных случаях напряжения также могут быть непропорциональны силам, например, при контактных деформациях или при изменении опорных условий с ростом нагрузки. [c.7] При определении предельных усилий, т. е. несущей способности элементов конструкций, используют характеристики сопротивления материалов пластическим деформациям (пределы текучести или ползучести). и разрушению (пределы прочности, критические деформации или глубины трещин, число циклов или время, необходимое для образования трещин). Для сложных напряженных состояний используют условия пластичности или ползучести, а также критерии прочности (применительно к статическому или циклическому нагружению). [c.7] Для напряженных состояний, возникающих в зонах контактных деформаций (локальное соприкосновение цилиндрических, сферических или других поверхностей), вводят понятие о контактных пределах текучести, прочности и усталости. Последние обычно тем более превышают соответствующие характеристики при одноосном напряженном состоянии, чем более пластичен металл и чем ближе напряженное состояние к объемному сжатию. Эти превышения достигают двукратных и больших значений. Контактные пределы прочности оцениваются в зависимости от твердости металла. Вопросы контактной несущей способности и соответствующие расчеты деталей конструкций в данной книге не рассматриваются. [c.7] Т прея Л пред П = - или = -. [c.8] Эти критерии отражают особенности кинетики перехода к предельным состояниям в упруго-пластической, временной и циклической трактовке. [c.8] Сопротивление материалов деформациям и разрушению. Предельные состояния на стадии развития разрушения. Из изложенного следует что определение несущей способности требует решения задач об упруго-пластическом напряженном состоянии и в ряде случаев в температурно-временной постановке. Для этих решений используют зависимости, связывающие напряжения, деформации, время, число циклов, температуру. Поэтому, наряду с обычными условиями пластичности для монотонного или циклического нагружения, применяют уравнения состояния, описывающие процессы циклической пластической деформации, а также деформации ползучести и релаксации. В отдельных случаях эти процессы необходимо рассматривать в неизотермических условиях. Соответствующие феноменологические закономерности вытекают из экспериментальных исследований и гипотез. [c.8] В связи с развитием методов и средств обнаружения и измерения возникающих и развивающихся тре-, щин в элементах конструкций представляется целесообразным дать оценку их несущей способности в зависимости от стадии разрушения. Такая оценка должна основываться на закономерностях развития трещин при циклическом нагружении, установленных методами механики разрушения при рассмотрении предельных состояний, соответствующих росту трещин до критических размеров. Запас прочности в этом случае рассматривается в ресурсном смысле, как отношение времени или числа циклов, необходимых для достижения предельного состояния, к времени или числу циклов, нарабатываемому за время службы, т. с. Пх или rij . Закономерности развития трещин при циклическом и длительном статическом нагружении выражаются через значения интенсивности напряжений Ki (см. гл. 5). Последняя зависит от размеров трещин и условий нагружения, а также от параметров уравнений, описывающих механические свойства материала. Эти параметры зависят от температуры и изменения состояния материалов в процессе службы. [c.8] Вероятность разрушения при заданном ресурсе или при фиксированном времени эксплуатации зависит от запаса прочности. Таким образом, величина этого запаса определяется требованиями надежности в условиях эксплуатации в смысле возможности воз-. никновения разрушения того или иного типа (циклического, хрупкого, длительного статического). [c.9] Изложенные в первых шести главах книги концепции предельных состояний и расчета на прочность в упругопластической и температурно-временной постановке под длительным статическим и малоцикловым нагружением, а так же в усталостном и вероятностном аспекте под многоцикловым нагружением иллюстрируются в последующих четырех главах Примерами расчетов конкретных конструктивных элементов. В соответствии с этим рассматриваются расчеты элементов сосудов и компенсаторов тепловых перемещений с упруго-пластическим перераспределением деформаций и усилий расчез ы циклической и статической несущей способности резьбовых соединений в связи с эффектами усталости и пластических деформаций расчет валов и осей как деталей, работающих, в основном, на усталость при существенном влиянии факторов формы и технологии изготовления, расчет которых основывается на вероятностном подходе для оценки надежности расчет на прочность сварных соединений, опирающийся на систематизированные экспериментальные данные о влиянии технологических и конструктивных факторов на статическую и цикличе-ческую прочность. [c.9] Вернуться к основной статье