Усталостный расчет конструкций

Усталостный расчет в APMРасчет усталостной прочности

Прочность характеризует способность деталей, не разрушаясь, воспринимать нагрузки в определенных режимах и условиях нагружения.

Нагружение с постоянными характеристиками рабочего процесса называется стационарным, а с изменяющимися – нестационарным. В случае стационарного нагружения необходимо выполнять только расчет статической прочности, и, если она оказывается обеспеченной, то деталь или объект в целом не разрушатся с течением времени. Если же на механическую систему или ее часть действуют переменные во времени силовые факторы, то 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 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 нестационарных внешних режимах. При напряжениях, равных и ниже предела выносливости, деталь может выдержать без нарушения целостности сколько угодно многоповторных циклов нагружения. Усталостные разрушения возникают под действием переменных напряжений, уровень которых превышает предел выносливости.

Если число нагружений составляет 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.

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 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 разрушение материала при данном числе циклов нагружения, от числа этих циклов.  

Поскольку реальные детали и режимы их эксплуатации отличаются от эталонных, при выполнении расчета усталостной прочности нужно 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 эквивалентным приведением к симметричному с помощью диаграммы предельных амплитуд. Аппроксимация производится методами Гудмана, Гербера, Зоденберга и Серенсена – Киносошвили. Программное обеспечение линейки APM позволяет свести к симметричному гармоническому произвольное внешнее нагружение. Такое приведение выполняется методом полных циклов и методом дождя. Под произвольным понимается не только гармоническое, но и стохастическое (случайное) изменение внутренних напряжений детали. При рассмотрении случайных воздействий используется гипотеза линейного суммирования повреждений.  

Продукты