Усталостный расчет конструкций
Fatigue: расчет выносливости
Опция Fatigue является дополнительной функциональной возможностью конечно-элементного ядра APM Structure3D, являющегося основой таких программных продуктов как APM WinMachine и APM Civil Engineering. Опция зарегистрирована в Реестре российских программ для ЭВМ и баз данных. Руководство пользователя приведено здесь
Постоянные значения величин нагружения обычно сопряжены с выполнением расчета только статической прочности, и, если она оказывается обеспеченной, то деталь или объект в целом не разрушатся с течением времени. Однако, нагрузки могут изменяться во времени и иметь как стационарные статистические параметры, так и нестационарные. В таком случае на механическую систему или ее часть действуют переменные во времени силовые факторы, вследствие накопления повреждений в материале могут возникнуть трещины, приводящие, в конце концов, к усталостным разрушениям. В результате пролонгированного во времени действия разрушающих факторов время безотказной работы объекта ограничено. Такой тип поломки является наиболее частой причиной выхода из строя деталей и узлов в процессе эксплуатации, причем время работы до разрушения, или долговечность, в этом случае достаточно плохо прогнозируемо.
Способность материала сопротивляться процессу накопления повреждений, вызванному переменным характером нагрузки, называют выносливостью или усталостной прочностью. В основе расчетов на выносливость лежат фундаментальные исследования поведения материалов при переменных режимах нагружения. При напряжениях, равных и ниже предела выносливости, деталь может выдержать без нарушения целостности сколько угодно много повторных циклов нагружения (конечно, если речь идёт не о гигагерцовой усталости, присущей лопаткам двигателей самолётов). Обычно усталостные разрушения возникают под действием переменных напряжений, уровень которых превышает предел выносливости.
Если число нагружений составляет порядка 104, то прочность называется кратковременной. При числах циклах нагружения выше 104 говорят о длительной прочности. Деление прочности на длительную и кратковременную связано с различной физической природой накопления дефектов и развития разрушения. Кратковременная прочность связана с накоплением пластических деформаций, а длительная – с процессами, протекающими на уровне кристаллической решетки.
Особенно значимым критерием необходимости выполнения расчета долговечности является наличие в детали концентраторов, наличие которых не влияет на статическую прочность. Но при переменном нагружении именно концентраторы являются источниками зарождения и развития усталостных трещин, которые могут привести к поломке.
Стоимость лицензии опции Программного продукта предоставляется по письменному запросу на официальный электронный адрес компании com@apm.ru. Стоимость зависит от типа лицензии и варианта ключа лицензирования, а также от конфигурации и комплектации, если таковая имеется.
Расчет усталостной прочности в продуктах APM
Программное обеспечение линейки APM, предназначенное для моделирования и инженерного анализа усталостных процессов в механических объектах, разработано на основе современных теоретических и экспериментальных исследований и с учетом мирового опыта в области усталостной прочности и прогнозирования долговечности. С помощью этого ПО можно исследовать длительную прочность при больших числах циклов нагружения (порядка от 104 и выше).
В основу усталостного расчета положены экспериментальные исследования поведения эталонных образцов под действием симметричного гармонического внешнего воздействия. По результатам испытаний этих образцов строится кривая Веллера, описывающая зависимость напряжения, при котором происходит 50%-ая вероятность разрушения материала от заданного числа циклов нагружения.
Поскольку реальные детали и режимы их эксплуатации отличаются от эталонных, при выполнении расчета усталостной прочности необходимо вносить различные поправки. Поправка в виде масштабного фактора вводится для учета явления роста количества дефектов кристаллической решетки с увеличением размеров тела. Специальные поправки необходимы и в случае, если чистота обработки поверхности эталонного образца выше, чем реальной детали – уменьшение чистоты обработки приводит к увеличению концентрации напряжений на поверхности, что, в конечном итоге, приведет к уменьшению усталостной прочности, и в других случаях.
Учет асимметрии переменного гармонического нагружения выполняется путём приведения к эквивалентному симметричному с помощью диаграммы предельных амплитуд. Аппроксимация производится методами Гудмана, Гербера, Зоденберга и Серенсена – Кинасошвили. Программное обеспечение линейки APM позволяет свести к эквивалентному симметричному гармоническому произвольное внешнее нагружение. Такое приведение выполняется методом полных циклов и методом дождя. Под произвольным понимается не только блочное, но и стохастическое (случайное) изменение внутренних напряжений детали. При рассмотрении случайных воздействий используется гипотеза линейного суммирования повреждений.
