В современном машиностроении есть проблемы, которые остаются и будут актуальны вне зависимости от развития технологий. Одной из них является проблема надежности и долговечности машин, деталей и конструкций. На каждом этапе развития современных технологий эта проблема возникает в новом виде, заявляет о себе гораздо настойчивее, требует все больших усилий, затрат и времени для ее решения. Новейшая техника все убедительнее подтверждает известное правило: чем сложнее машина, тем выше вероятность ее отказа. Невысокая надежность и долговечность некоторых машин требует приложения многих усилий и средств на ремонт и восстановление их работоспособности.
Эксплуатационные расходы на техническое обслуживание иных машин превышают в несколько раз затраты на их изготовление. И это наряду с тем, что показатели надежности наиболее сложной и ответственной техники, выпускаемой передовыми отраслями, значительно улучшены. Увеличение ресурсных показателей требует больших предварительных расходов на изучение степени нагруженности конструкций, закономерностей повреждения материалов, разработки методик и технологий повышения их прочностных характеристик, применения новых конструктивных решений и материалов.
Дальнейшее развитие машиностроения, усложнение технически, увеличение усилий и скоростей технологического оборудования усиливает роль проблем надежности современных машин и оборудования, немалую роль в снижении надежности конструкций играют циклические напряжения.
В настоящее время при прочностном анализе конструкций и их элементов помимо традиционной задачи определения напряженно-деформированного состояния все чаще рассматриваются вопросы оценки ресурса конструкций.
Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы в процессе эксплуатации испытывают переменные нагрузки, в результате которых возможно постепенное накопление повреждений и усталостное разрушение наиболее напряженных элементов. Поэтому многие вопросы по оценке прочности, долговечности и усталостного разрушения в эксплуатационных условиях рассматриваются с разных точек зрения.
Развитие вычислительной техники значительно расширило возможности инженерного расчета и анализа конструкций. Появились программные комплексы, значительно облегчающие труд инженеров при проектировании и оптимизации конструкций, прогнозировании их долговечности, выборе варианта восстановительно-профилактических мероприятий. При этом возрастает значимость моделей повреждаемости и разрушения материалов, положенных в основе проводимых расчетов.
Расчет железобетонных конструкций на надежность
... расчета железобетонных конструкций 3.1 Метод расчета по предельным состояния 1. Сущность метода Метод расчета конструкций по предельным состояниям является дальнейшим развитием метода расчета по разрушающим усилиям. При расчете ... значительно выгоднее. Однако применять высокопрочную арматуру в конструкциях ... материалов. Стадии разрушения, но безопасность работы конструкции ... высокопроизводительных машин и ...
Степень разработанности проблемы. Научных работ, посвященных вопросам исследования прочности материалов при циклическом нагружении много как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Например, А.
Веллер, В. Альберт, П. Пэрис, М. Гомес, Г.Джеймс, Д. Гальтон и д.р.
Эмпирической базой для написания данной работы являются учебная и периодическая литература, интернет источники, реферативные базы Scopus и Springer.
1 Общая история изучения прочности
В глубокой древности, когда не существовало никакой теории расчета частей сооружений на прочность, постройки возводились в соответствии с эмпирическими правилами, т.е. на основе опыта, накопленного в практике зданий и сооружений, являющихся образцами прочности. Многие их таких построек еще сохранились до нашего времени. Но эти постройки были громоздки, строились веками, и в случае каких-либо отклонений от формы или размеров принятых образцов происходили аварии возводимых сооружений даже в процессе строительства. Поэтому уже тогда люди убедились в необходимости иметь сведения о прочности материалов и способах определения надежности размеров частей сооружений.
Одним из первых ученых, занимавшихся теоретическими и опытными исследованиями материалов в отношении их прочности, был известный итальянский ученый Леонардо да Винчи (1452—1519).
Но так как его труды, содержавшиеся в записных книжках, своевременно не были опубликованы, то и не оказали никакого влияния на науку о прочности.
Начало современной теории этой науки и опытной проверки ее выводов положил знаменитый итальянский ученый Галилео Галилей (1564— 1642).
Он же в 1638 г. выпустил первую книгу, излагавшую учение о прочности материалов.
В дальнейшем развитию сопротивления материалов способствовали многие ученые различных стран, в том числе и ученые России. Так, член Петербургской Академии наук Леонард Эйлер (1707—1783) дал важнейшие теоретические исследования по устойчивости сжатых стержней. Великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711—1765) создал учение о твердости материалов. Весьма ценный вклад в науку о сопротивлении материалов был внесен в XVIII и XIX в. и другими русскими учеными.
Роль ученых в развитии сопротивления материалов особенно проявилась после Великой Октябрьской социалистической революции.
Советскими учеными решен ряд важнейших проблем сопротивления материалов и механики вообще. К ним прежде всего следует отнести: новые методы решения задач на устойчивость и динамические нагрузки, развитие теории упругости и пластичности, в частности создание: общей теории расчета тонкостенных оболочек и тонких стержней; разработку методов расчета конструкций по предельным состояниям; развитие теории и практики конструирования систем, находящихся под действием высоких температур при больших скоростях движения и т. д.
Впервые в мире в Советском Союзе создана и испытана межконтинентальная баллистическая ракета, а на ее базе 4 октября 1957 г.
впервые в мире был запущен искусственный спутник земли. Затем была выведена в межпланетное пространство космическая ракета, а 15 мая 1960 г.
был выведен в космос первый воздушный корабль-спутник. В последующие годы 1960 и 1961 были выведены в космос еще более совершенные кораблиспутники, а 12 апреля 1961 г. был выведен на орбиту вокруг Земли первый в мире космический корабль-спутник «Восток» с человеком на борту. Первым в мире космонавтом стал Ю. А. Гагарин, который после облета Земли успешно — заземлился в заданном районе СССР.
Трудовая теория стоимости и теория предельной полезности
... и предложением. Отсюда следует, что теория трудовой стоимости не пригодна для использования в рыночном ценообразовании. Сторонники же теории предельной полезности претендуют на всеобщность этой теории как на уровне микроэкономики, так и на уровне макроэкономики. Теория предельной полезности ...
Вскоре после этого были совершены более длительные полеты других советских космонавтов, а также многосуточные групповые полеты в космосе, а 3 февраля 1966 года автоматическая станция «Луна-9» впервые в истории человечества достигла Луны, осуществив на ее поверхности мягкую посадку.
Значительная доля участия в этих колоссальных достижениях советской науки и техники принадлежит ученым в области механики, в частности — сопротивления материалов.
Закон прямой пропорциональности между упругой деформацией и вызываемой ее нагрузкой открыл в 1660 г. английский ученый Роберт Гук (1635—1705), но опубликовал его лишь в 1678 г. С этого времени закон становится важнейшим для всей теории сопротивления материалов, оказывая чрезвычайно большое влияние на развитие этой науки.
В 1807 г. английский ученый Томас Юнг ввел в науку модуль упругости, однако в то время понятие его определялось иначе, чем определяется теперь. Модуль упругости в его современном понятии ввел в сопротивление материалов французский ученый Луи Навье (1785 – 1836).
Он же сформулировал впервые математическое выражение закона Гука в виде формулы.
Понятие о коэффициенте поперечной деформации введено в науку французским ученым Пуассоном (1781 – 1840), причем он теоретически установил, что величина этого коэффициента для любого материала равна 0,25. Однако последующими опытами вывод Пуассона не подтвердился: для разных материалов величина его имеет различное значение.
Начало опытного изучения механических свойств материалов относят к тридцатым годам XVII в., к опытам, впервые поставленным Галилеем и проводимым потом Гуком, Мариоттом, Параном и др. В России началом широко поставленных опытов по изучению материалов следует считать двадцатые годы XIX столетия, а в конце сороковых годов знаменитый инженер путей сообщения, впоследствии ученый в области строительной механики и мостостроения, Д. И. Журавский (1821–1892) на сконструированных им специальных машинах осуществил исключительные по глубине и обширности исследования по сопротивлению древесины.
В 1853 г. при Петербургском институте инженеров путей сообщения профессором П. И. Собко (1819 – 1871) была создана первая в России и одна из первых в мире лаборатория строительных материалов, развитая затем профессором Н. А. Белелюбским (1845 – 1922).
Проводимые в ней экспериментальные работы по изучению механических свойств материалов весьма способствовали развитию науки о сопротивлении материалов в России.
Первые работы по исследованию изгибаемых балок провел Галилей, опубликовавший результаты их в 1638 г. Эти исследования были направлены главным образом на решение задачи о напряжениях при поперечном изгибе балок – одной из труднейших задач за весь период развития сопротивления материалов. Однако правильного ее решения Галилей не дал и не мог дать, так как он исходил из законов механики абсолютного твердого тела, не принимая во внимание упругих свойств материала. Тем не менее, его работы оказали значительное влияние на развитие науки о прочности материалов.
Теория предельной полезности и трудовой стоимости
... следующих задач: рассмотрение теории трудовой стоимости и ее характеристики; рассмотрение теории предельной полезности и ее характеристики; рассмотрение правомерности теории трудовой стоимости и теории предельной полезности. В ... и dU, а формула предельной полезности приобретает вид: MU=dU/dQ (1.2) Таким образом, предельная полезность равна производной от функции полезности по количеству блага. При Δ ...
Открытый Гуком в 1678 г. закон прямой пропорциональности между нагрузкой и деформацией позволил правильно подойти к решению задачи о напряжениях при изгибе балок, которую впоследствии развили французские ученые. Так, первое правильное решение этой задачи дал в 1713 г. Паран.
Теория изгиба в ее современном виде была изложена Навьев 1826 г. в курсе сопротивления материалов.
В период двадцатых и тридцатых годов XIX столетия появились новые (для того времени) материалы – чугун и сварочное железо, нашедшие очень широкое применение главным образом в связи с интенсивным ростом железнодорожного строительства. Это оказало значительное влияние на развитие науки о сопротивлении материалов. Благодаря введенному французским ученым Коши понятию о напряжении появилась возможность его вычисления и сопоставления с допускаемым напряжением. Это обстоятельство создало небывалую до этого уверенность у инженеров в надежности производимых ими расчетов, и с этого времени сопротивление материалов стало прикладной наукой, способной решать практические задачи техники.
Касательные напряжения открыл французский ученый Кулон (1736 – 1806), но определить величину ему не удалось. Из опытов на изгиб и кручение Кулон вывел закон о пропорциональности между нагрузкой и упругой частью деформации вплоть до разрушения материала.
Однако все труды французской школы по решению задачи о напряжениях относились только к чистому изгибу и не учитывали сдвигов.
Первое решение задачи о поперечном изгибе с учетом сдвигов дал замечательный русский мостостроитель и ученый Д. И. Журавский (1821 – 1891).
Он в 1848 г. впервые вывел формулу для определения касательных напряжений при изгибе, которой пользуются и в настоящее время.
Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки впервые вывел Д.
Эйлер. Он применил его к исследованию некоторых случаев поперечного изгиба, а также при создании теории продольного изгиба сжатых стержней.
Последующее развитие метод исследования изогнутой оси балки получил в учебнике Навье по сопротивлению материалов. Однако этот метод был весьма громоздким, что вызвало стремление к созданию более простых методов решения задачи, в частности получению уравнения изогнутой оси балки в общем виде.
Как уже отмечалось, значительное упрощение в решение указанной задачи внесли приемы интегрирования дифференциальных уравнений изогнутой оси балки, разработанные немецким ученым Клебшем (1833 –
1872) и позднее — русским ученым И. Г. Бубновым (1879 – 1919).
Успешное же решение задачи было выполнено лишь в 1923 г. русским ученым Н. П.
Пузыревским (1861 – 1934) в применении к балкам, лежащим на упругом основании, причем метод решения был назван «методом начальных параметров».
Многими учеными указанный метод распространен на решение других, более сложных задач, связанных с вопросами Изгиба стержней. Среди них можно указать, например, на труды проф. Н. И. Безухова, распространившего метод начальных параметров на динамические задачи изгиба, проф. Н. К.
Стабилизатор напряжения
... транзистора большой мощности VT2 (рис. 1.2, б), то можно осуществить эффективную стабилизацию напряжения при токах, протекающих через нагрузку, измеряемых амперами. При таком включении VT1 и ... способом можно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD (точнее, до значения UCT -UЭБ ). Если ток базы регулирующего транзистора ...
Снитко — на задачи устойчивости и др.
В настоящее время метод начальных параметров является общепризнанным и широко применяется при решении различных задач, связанных с изгибом элементов конструкций.
Теория устойчивости упругих систем и элементов конструкций в ее современном виде создана главным образом русскими и советскими учеными. Задача определения величины критической силы впервые решена знаменитым ученым – членом Петербургской Академии наук Л. Эйлером в 1744 г. С этого времени решение этой задачи легло в основу всей теории устойчивости упругих систем, однако она долго не имела практического применения, что объясняется главным образом неудовлетворительно проведенными опытами по проверке ее теоретического решения.
Практическое обоснование теоретических выводов Л. Эйлера дал известный русский ученый Ф. С. Ясинский (1856 – 1899), который в результате анализа катастроф строившихся за границей мостов пришел к выводу, что причиной их являлся продольный изгиб сжатых элементов ферм, не принимаемый во внимание при проектировании. Этот вопрос Ф. С. Ясинский изложил в своей замечательной работе «Опыт развития теории продольного изгиба», в которой показал, что оказавшееся несоответствие теории Эйлера с опытами произошло исключительно по причине их несовершенства.
В своей работе Ф. С. Ясинский провел глубокий анализ современного ему состояния теории продольного изгиба и дал решение ряда новых теоретических задач, а также заложил основы теории устойчивости продольно сжатых стержней за пределом пропорциональности.
Разработанным им практическим методом расчета сжатых стержней на устойчивость пользуются (с некоторыми уточнениями) и в настоящее время.
Теория кручения брусьев круглого сечения впервые была разработана в 1784 г. французским ученым Кулоном. Изложение теории кручения бруса круглого сечения в современном ее виде было дано Навье в курсе сопротивления материалов. Он первым начал разработку теории кручения стержней некруглого сечения, но решить эту задачу ему не удалось. Лишь в 1855 г. она была решена французским ученым Сен-Венаном (1797 – 1885).
Большой вклад в общую теорию кручения сделал русский ученый А. А.
Соколов, установивший в 1878 г., что наибольшие напряжения при кручении стержня любого поперечного сечения никогда не могут возникать внутри его, а только в точках его боковой поверхности.
2 История развития испытаний на циклическое напряжение
Повторно-переменными, или циклическими, называются такие нагрузки, которые действуют на элемент конструкции периодически, многократно изменяясь во времени только по величине или по величине и направлению.
Под такой нагрузкой находятся некоторые элементы мостовых и крановых ферм, в сечениях которых переменно и многократно возникают растягивающие и сжимающие напряжения в зависимости от положения движущегося поезда по мосту или тележки по крановой ферме. Подкрановые балки и рельсы также испытывают повторно-переменные нагрузки.
Подобный вид нагрузки особенно распространен в деталях машин.
Например, все части кривошипно-шатунного механизма, зубья зубчатых колес и многие другие детали находятся под действием повторнопеременных нагрузок.
Циклические напряжения, происходящие в металлах уже давно известны в современной науке. Однако первым, кто начал заниматься проблемой усталостной прочности металлов, был Жан-Виктор Понселе. Он также привел описание этого процесса в литературе, а также ввел понятие в своем курсе лекций в 1828-1829 г.
Усталостная прочность материалов
... при хрупком разрушении. Кривая усталости (кривая Веллера) строится на основании результатов усталостных испытаний при симметричном цикле. Она показывает, что с увеличением числа цикла максимальное напряжение, при котором происходит разрушение материала, значительно ...
Еще в середине прошлого столетия было замечено, что те части машин и сооружений, которые находятся под действием повторно-переменных нагрузок, внезапно разрушаются при напряжениях, меньших не только предела прочности или предела текучести, но иногда и меньших предела пропорциональности. Внезапное разрушение материала и обнаруживающееся при этом грубозернистое строение его в изломе детали, выполненной даже из пластичного материала, послужили основанием считать, что материал под действием повторно-переменных нагрузок «устает» и, превращаясь из пластичного в хрупкий, разрушается. Поэтому и явление внезапного разрушения материала называли «усталостью материала».
Можно привести пример, наглядно показывающий усталостное разрушение материала. Когда требуется оторвать часть проволоки от целого ее мотка или сломать отдельный кусок ее, то обычно периодически изгибают (ломают) ее или скручивают то в одну, то в другую сторону, вызывая, таким образом, в точках сечений проволоки повторно-переменные напряжения.
Ныне, однако, понятие усталости потеряло свой прежний смысл и в него вкладывается совсем другое содержание, хотя термин «усталость»
сохранился благодаря его краткости и широкому распространению.
В настоящее время усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала при действии повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению.
Совокупность последовательных переменных напряжений за один период их изменения называется циклом напряжений. Если наибольшее и наименьшее напряжения одинаковы по величине и обратны по знаку (например, max = 120 Мн/м2, a min= — 120 Мн/м 2), то цикл напряжений называется симметричным. Примером симметричного цикла может служить изменение напряжений в сечениях колесной оси вагона, при вращении которой происходит чередование растягивающих и сжимающих напряжений в ее верхних и нижних слоях волокон от max до min.
В случае изменения напряжений от нуля до некоторого конечного значения (от 0 до max или от 0 до min) цикл называется отнулевым (или пульсирующим).
В качестве примера отнулевого цикла можно привести работу подъемного каната, в сечениях которого при подъеме груза напряжения изменяются от нуля до некоторой конечной величины. Во всех остальных случаях изменения напряжений, т. е. когда max по абсолютной величине не равно min, цикл называется асимметричным.
Для характеристики степени асимметрии цикла вводят величину называемую коэффициентом асимметрии цикла:
min R (1) max Циклы, имеющие одинаковый коэффициент асимметрии, называются подобными.
В настоящее время на основании многочисленных опытов установлено, что начало разрушения элемента имеет чисто местный характер. Когда переменные напряжения превзойдут определенную величину для данного материала, то после некоторого числа циклов напряжений в материале появляется трещина, обычно возникающая на поверхности детали в местах наибольших напряжений и в местах, имеющих дефекты внутреннего строения материала для обработки поверхности.
Образовавшаяся трещина, называемая трещиной усталости, почти незаметная невооруженным глазом, постепенно увеличивается и проникает вглубь детали. При этом остаточные деформации сосредоточиваются только у трещин, поэтому после разрушения детали их нельзя обнаружить.
Природные и строительные материалы
... природных материалов, которые полностью удовлетворяли его сравнительно ограниченные потребности. На последующих стадиях развития человеческого общества появляются повышенные требования к качеству строительного ... агрессивной среды, вызывающие в них обменные реакции приводящие к разрушению материалов, изменению своих первоначальных свойств: растворимость, коррозионная стойкость, стойкость против ...
Увеличение трещины значительно ослабляет поперечное сечение, вследствие чего происходит внезапное разрушение детали, причем поверхность излома всегда имеет вид хрупкого строения.
Способность материала не разрушаться от действия повторнопеременных нагрузок называется выносливостью, или усталостной прочностью.
Опытным путем установлено, что для многих материалов существует такое напряжение, при котором материал может выдержать, не разрушаясь, неограниченное число циклов. Из опытных данных известно также, что число циклов напряжений, необходимое для разрушения материала, зависит от величины наибольшего переменного напряжения и от алгебраической разности между крайними значениями переменных напряжений. Чем больше эта разность, тем меньше число циклов требуется для разрушения материала.
Например, по опытным данным, стальной образец, растянутый до напряжения max 200 Мн/м2, а затем разгруженный до = 0 и сжатый до min 200 Мн/м2 (симметричный цикл), разрушается после 500 000 циклов напряжений. А если такой же образец испытать при симметричном цикле до напряжений max 120 Мн/м2 и min — 120 Мн/м2, то окажется, что образец не разрушается даже после 132 миллионов циклов.
Наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого количества циклов, называется пределом выносливости.
Предел выносливости при изгибе обозначают R аналогично при кручении – R и при растяжении (сжатии) – Rp. Индекс R указывает значение коэффициента асимметрии цикла. Например, предел выносливости при симметричном цикле изгиба обозначают 1э то же, кручения -1, то же – растяжения-сжатия -1p. При отнулевом цикле соответствующие пределы выносливости обозначают 0; 0; ор. Предел выносливости определяется опытным путем, значения его для различных материалов приводятся в справочниках.
На величину предела выносливости большое влияние оказывают следующие факторы: концентрация напряжений, размеры детали, качество обработки поверхности, а также принятый метод испытаний материала.
Научная статья М. Рэнкина, вышедшая в 1843 г., стала первой научной работой, в которой рассматривались циклические напряжения и их влияние на прочность. В то время было распространено мнение, что разрушение материала происходит из-за перехода волокнистой структуры сварочного железа в кристаллическое строение, но Рэнкин был не согласен с этой теорией и в 1873 г. опубликовал научную работу. Он установил, что излом вала связанный с усталостью начинается с появлением небольшой трещины, которая, разрастаясь, опоясывает центральную часть вала, в результате этого происходит разрушение. В качестве рекомендации предлагалось увеличить радиусы галтелей валов.
В середине 19 века инженерами Г. Джейсом и Д. Гальтоном проводились экспериментальные исследования железных стерней. Стержни испытывались с изменением напряжений по пульсирующему циклу на сконструированном для этих целей оборудовании в 1848 г. (рис. 1).
Нагружение на стержень производилось с помощью вращающего эксцентрика. Частота изгибов могла варьироваться от 7 до 12 за 100 секунд.
Рисунок 1 – Установка для исследования выносливости железных стержней при изгибе Г.Джеймса и Д. Гальтона В 1867 г. английским механиком Уильямом Фейрбейрном были проведены испытания клепанных двутавровых балок на выносливость. Во время испытаний грузом на конце консоли создавалось постоянное во временно напряжение. В результате движения конца консоли, который был прикреплен к равномерно вращающемуся эксцентрику, на консоль накладывалось переменное напряжение (рис. 2).
Опытное изучение свойств материалов: назначение и виды испытаний. ...
... в специальных руководствах. Для статического испытания требуется (как минимум) 2 идентичных образца, а для динамического испытания — 3 образца. При испытании на выносливость необходимо иметь 10 ... Эту диаграмму называют условной диаграммой растяжения (или диаграммой условных напряжений), так как напряжения и относительные удлинения вычисляются соответственно по отношению к первоначальной площади ...
Таким образом, возникал асимметричный цикл изменения приложенной нагрузки. Испытания проводились с числом нагружений около 7 в минуту.
В 1858-1870 г. немецким инженером Августом Веллером было выполнено наиболее полное исследование выносливости материалов. Он сконструировал машину, в которой два стальных образца изгибались по схеме консольной балки. Переменное значение напряжений достигалось за счет вращения образцов вместе с цилиндром, в котором они закреплены.
Частота вращения в машине составляла 15 об/мин.
Рисунок 2 – Установка для определения выносливости балок У. Фейрбейрна Принцип создания переменности напряжений создавался за счет вращения образцов. Принцип работы машины Веллера использовался в последующем для многих машин при испытаниях на выносливость, однако схема консольной балки была заменена схемой двухопорной балки, нагруженной двумя одинаковыми силами на равном расстоянии от опор. Изза чего средняя часть нагружаемого образца находилась в условиях чистого изгиба и исключалось влияние касательных напряжений. Также Веллер вел понятие предела выносливости. В своих расчетах он не использовал график зависимости разрушающего напряжения от числа циклов. Также он установил отрицательное влияние на выносливость резких перепадов диаметров (явление ступенчатого вала) из-за концентрации напряжений.
Им была также создана машина для создания ассметричных циклов изменения напряжений (рис. 3).
На ней испытывались свободно оперные образцы с прямоугольным поперечным сечением, а переменное напряжение создавалось с помощью эксцентрика, вызывавшим переменные прогибы.
Практически в это же время Веллером были сконструированы машины для определения выносливости при кручении и растяжении-сжатии образцов.
Им было установлено, что при кручении при симметричном цикле предел выносливости составляет около 80% от такой же величины, что и в случае с растяжением-сжатием.
Его экспериментальные исследования явились основополагающими для многих исследователей и опубликованы в большом количестве. Они послужили основой для разработки методов определения коэффициентов запаса при одноосном напряженном состоянии и чистом сдвиге.
Рисунок 3 – Усталостная машина А. Велера
Вывод формул, с помощью которых можно определить коэффициент запаса, излагается в трудах советского ученого С. В. Серенсена. На основании экспериментов по исследованию выносливости металлов при совместном изгибе и кручении определяются коэффициенты запаса прочности для частного случая (упрощенное плоское напряженное состояние), проведенных Х. Гафом и Х. Поллардом в 1935-1949 г.
Испытания проводились при изменении касательных и нормальных напряжений на специальным сконструированный машинах. В первой машине изменения напряжений проводились по ассиметричным, а во второй по симметричным циклам.
Методы коррозийных испытаний
... либо точечную коррозию, либо интеркристаллитное разрушение. Если метод испытания будет построен так, что коррозия ... структура, состав сплава, состояние поверхности, наличие внутренних напряжений и др.) и внешних (состав коррозионной ... 2) ускоренные -- проводимые в искусственных условиях, ускоряющих коррозионные процессы, протекающие в эксплуатационных условиях; ускорение испытаний достигается ...
Испытания проводились на образцах, изготовленных из малоуглеродистой и легированной сталей, а также различных типах чугунов.
Некоторые результаты испытаний представлены на рисунке 4, где в координатах и нанесены точки, соответствующие предельным напряженным состояниям материала.
Рисунок 4 – Результаты усталостных испытаний X. Гафа и X. Полларда Как следует из рисунков, экспериментально полученные точки для сталей весьма близки к эллипсу, построенному по уравнению 2:
В этих формулах пр, пр — предельные значения максимальных нормальных и касательных напряжений, a -1 и -1 пределы выносливости при симметричном цикле соответственно для изгиба и кручения.
В 1952 г. Г. В. Ужиком опытно были подтверждена эллиптическая зависимость. Он испытывал образцы хромоникелевой стали в условиях совместного изгиба и кручения. Нормальные и касательные напряжения изменялись синфазно по симметричным циклам.
В 1941 году проводились испытания образцов из конструкционной стали на кручение и изгиб доктором С. В. Серенсоном. Изменение нормальных и касательных напряжений происходило по симметричному циклу. Значения максимальных напряжений одинаковы. Сдвиг фаз составлял /2. П о результатам экспериментов сдвиг фаз не оказал однозначного влияния на прочность. Но в 1947 Ужиком Г. В. Было указано в своих работах, что при ином отношении напряжений и других значениях сдвига фаз можно ожидать существенного влияния асинфазности на усталостную прочность. Ему удалость это получить с помощью теоретического анализа изменения во времени максимального касательного напряжения при двухосном смешанном напряженном состоянии. Однако чтобы добиться полного решения данного вопроса необходимо проведение последующих исследований, основанных на экспериментах, усталостной прочности при наименее благоприятных величинах отношения напряжений и сдвигов фаз.
Испытания стальных образцов, находящихся в условиях совместного изгиба и кручения при асимметричных циклах нормальных и касательных напряжений, изменяющихся синфазно, были проведены также Х. Гафом в 1949г. Испытанию подвергались как гладкие образцы, так и образцы с концентраторами напряжений.
Аналогичные результаты получены в опытах Г.В. Ужика, проведенных при симметричных циклах изменения нормальных и касательных напряжений. Уравнения 2 и 3 позволяют вывести формулы для определения коэффициента запаса в рассматриваемом частном случае упрощенного плоского напряженного состояния. Можно отметить, что в случае двухосного смешанного напряженного состояния при постоянных во времени напряжениях теория наибольших касательных напряжений и теории «энергии формоизменения» приводят к зависимости 1, а теория Мора — к выражению 2. Таким образом, соотношения 1 и 2 можно рассматривать как обобщение результатов, полученных при постоянных во времени напряжениях на случай напряжений переменных. С.В. Серенсен предложил уравнения 1 и 2 установленные для симметричного цикла изменения напряжений распространить на случай асимметричных циклов.
Недостаточная изученность усталостной прочности при напряженных состояниях, отличных от упрощенного плоского, не позволила еще создать надежную теорию, устанавливающую предельное состояние при переменных напряжениях. Методика расчета элементов конструкций на усталость получила развитие в связи с теоретическими и экспериментальными исследованиями вероятностных условий циклического разрушения с учетом влияния конструкционных факторов и режима нагружения. Разработка теории «слабого звена» позволила В. Вейбуллу построить теорию хрупкого разрушения однородно и неоднородно напряженных тел в вероятностном аспекте. Это способствовало решению вопросов теории усталостного разрушения, как тесно связанного с неоднородно напрягаемыми объемами металла. Н.Н. Афанасьевым была разработана статистическая модель усталостного разрушения, позволившая описать эффект влияния концентрации напряжений и абсолютных размеров тела. Систематизация данных по статистической оценке характеристик усталости конструкционных материалов, анализ данных натурных испытаний, накопление информации об эксплуатационной нагруженности изделий способствовали использованию вероятностных методов расчета на усталость на стадии проектирования и при анализе надежности изделий в условиях эксплуатации. Среди существующих вероятностных методик оценки усталостных характеристик конструкции наибольшее распространение получила теория подобия усталостного разрушения, которая была предложена Когаевым В.П.
Можно отметить, что причины усталостного разрушения еще недостаточно изучены. Ученые полагают, что они заключаются главным образом в неоднородности материалов, поскольку, например, отдельные кристаллиты металла в разных направлениях неравнопрочны, а потому при достижении определенных напряжений они получают остаточные деформации.
Заключение
С развитием индустриального общества повысились требования безопасности к различным машинам и агрегатам того времени. Ученые различных стран начали изучать причину происхождения данных неисправностей. Изучению этой проблемы поспособствовало: разрушение конвейерных цепей в г. Обергарце в Германии; разрушение подкоса крыла немецкого бомбардировщика в Англии, поломки железнодорожных осей вагонов и локомотивов. Причина этих неисправностей не была ясна для ученых, поэтому в начале 19 века начались исследования в Германии, а с 20 века продолжились по всему миру.
С развитием науки выяснилось, что причиной являлось усталостное разрушение при воздействии циклического нагружения различного характера. Усталостное разрушение машин, агрегатов и транспортных средств в процессе эксплуатации всегда вело ученых к созданию улучшенной конструкции и продвижению уровня науки и техники. Изучение данного процесса сподвигло ученых на создание различного вида испытательного оборудования, которое могло бы объяснить причину зарождения усталостных трещин. Для этого создавались целые испытательные лаборатории и разные типы испытательного оборудования, кардинально отличавшиеся друг от друга, испытания проводились на специальных образцах. Это вызвало бурную критику ученых того времени по отношению друг к другу. До конца 19 века не существовало единой концепции изучения данного явления.
В 19 веке это направление было очень популярным в виду своей новизны и актуальности для производства. Начали использоваться различные виды технологических машин, развивалось машино-, пароходо-, двигателесамолетостроение, поэтому повышение надежности и долговечности машин было весьма перспективно.
Развитие этого направления науки очень положительно отразилось на дальнейшем развитии таких дисциплин как механика, детали машин, материаловедение, а также способствовало более глубокому внедрению научных результатов в практическую область для нужд общества. Также это отразилось на публицистической активности ученых и появлении серьезных научных трудов и статей.
Существенной особенностью с 1960 года было введение сервогидравлической испытательной машины на усталость, которая впервые позволила применять произвольную историю нагружения при достаточно высоких частотах. Начиная с 1965 г. Общество автомобильных инженеров (SAE) в большой совместной программе пытались предсказать усталостную долговечность, используя так называемый подход локальных деформаций.
Ими же были созданы универсальные спектры нагружения для техники. С 1975 г. производители расширили свои лаборатории по испытаниям на усталость, нацеленные на повышение надежности и экономии веса конструкции.
Применяемость реальных деталей на основании данных по усталости, полученных на образцах, является полностью нерешенной. Эта проблема, намеренно или ненамеренно, умалчивается. Тем не менее, испытания на усталость показывают сумму повреждения до разрушения намного большую, чем реальных изделий. Вероятно, нерешенной проблемой является научная и практическая правильность расчета усталостной долговечности при очень малых вероятностях отказа, так как тип распределения должен быть известен.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/filosofiya-metallurgii/
1) Бадиков К.А. Влияние переменной нагрузки на долговечность материала (обзорная статья) [Электронный ресурс] / Бадиков К.А. // Студенческий научный форум – 2015: докл. VII междунар. студ. электрон. науч. конф.
Направление «Технические науки» (Секция «Автомобильный транспорт») /
РАЕ. Москва, 2015. – Режим доступа:
— — C. 1-7.
.
2) Бескаравайный С.С., Капитон В.П. Философия техники: монография. Днепропетровск: ДГФА, 2011. — 302 с.
3) Лебедев С. Философия естественных наук: Учебник для вузов. Изд.:
Академический проект, 2006. – 556 с.
4) Некрасова H.A., Некрасов С.И. Философия техники. Учебник. М.: МИИТ, 2010. — 164 с.
5) Островский Э.В. История и философия науки: учеб. пособие. Изд.: ЮнитиДана, 2012. – 160 с.
Полищук Д.Ф. Прикладная философия интеграционной механики.
6) Изд.: «РХД», 2013. – 196 с.
7) Тимошенко С.П., История науки о сопротивлении материалов с краткими сведениями из истории теории упругости и теории сооружений. М.:
Издательство технико-теоретической литературы, 2007. 536 с.
8) Clapeyron E. Calcul d’une poutre elastique reposant librement sur des appuis inegalement espaces // Comptes rendus. — 1857. T. 45. — P, 1076 — 1080.
9) G.F. Gebhart, R.F. Schmidt (eds.), Encyclopedia of Pain, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2013, p. 1261.
10) H. Xiaoping, T. Moan, C. Weicheng, An engineering model of fatigue crack growth under variable amplitude loading, Int. Journal of Fatigue, 2008, Vol. 30, pp. 2-10. http://www.springer.com/us/book/9781402068072#aboutAuthors (дата обращения 22.03.2015)
11) Safarian P., Fatigue and Damage Tolerance Requirements of Civil Aviation.
University of Washington, Winter Report, 2014. 87 p.
12) Schijve, J. Fatigue of Structures and Materials. [Электрон. ресурс] Режим доступа:
13) Seong-In Moon, Il-Je Cho, David YoonFatigue life evaluation of mechanical components using vibration fatigue analysis technique / Journal of Mechanical Science and Technology. 2011. Vol. 25, Issue 3, pp 631-637.
14) Soon-Gyu Ko, Chung-Seog Oh, Byung-Ik Choi. The elucidation of load history editing effect on fatigue crack growth by crack closure concept.
International Journal of Fatigue. Vol. 27, Issue 3, March 2010. Pp 255–262.
15) Sunder R. Unraveling the Science of Variable Amplitude. 38th National Symposium on Fatigue and Fracture Mechanics; Anaheim, CA; United States; 18 May 2011 through 20 May 2011.
16) Weicheng Cui, Prof. Xiaoping Huang, Fang Wang. Current Understanding of Fatigue Mechanisms of Metals. Advanced Topics in Science and Technology in China. 2014, pp 31-68.
« сборнике представлены миниатюры и микрорассказы на стыке разных жанров, написанные автором в течение последних нескольких лет. И. Ю. Станковская. «Фантастические миниатюры. Сборник рассказов» Содержание Пожирающий Космос 5 Мечта о море 7 Обычная эльфийка 9 Три слагаемых успеха 10 Игрушечная философия 12 Ещё о теории эволюции 13 У и астероид, или…»
