О деформировании лабораторных образцов в виде усеченных дисков с концентраторами напряжений


Авторы

Цвик Л. Б.*, Зеньков Е. В.**, Маломыжев Д. О.***

Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, Иркутск, 664074, Россия

*e-mail: tsvik_l@mail.ru
**e-mail: jovanny1@yandex.ru
***e-mail: kbprf13@gmail.com

Аннотация

Рассматриваются образцы для оценки конструкционной прочности материалов, разрушение которых может быть осуществлено на типовых одноприводных испытательных машинах. Представлен анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) лабораторных образцов, имеющих вид усеченных круговых дисков, с концентраторами напряжений в виде канавок. Показано, что усечение диска по двум симметрично расположенным хордам позволяет в относительно широких пределах изменять вид НДС (соотношение величин главных напряжений), возникающего в образце в его рабочей зоне, а также интенсивность напряжений в этой зоне.  Осуществлено численное решение задач линейной теории упругости для образцов с различной степенью усечения рассматриваемых дисков, а также с различными значениями геометрических параметров профиля канавок-концентраторов. Соответствующий анализ деформирования дисков показал, что предлагаемые лабораторные образцы позволяют моделировать вид и уровень НДС различных конструктивных элементов машин и механизмов, в том числе высоконагруженных элементов летательных аппаратов и двигателей, используемых в ракетно-космической технике. Указанное обстоятельство существенно расширяет возможности оценки конструкционной прочности материалов уже на стадии лабораторных исследований используемых материалов. Для конструкционной углеродистой стали Ст45 осуществлено экспериментальное разрушение рассматриваемых дисковых образцов, подтвердившее для этой стали определяющее влияние вида НДС на локализацию очагов разрушения изготовленных из неё высоконагруженных конструктивных элементов. Результаты таких испытаний могут быть использованы как для экспериментальной оценки конструкционной прочности материала таких элементов, так и для построения уравнений его предельного состояния, соответствующих заданному уровню и виду НДС.

Ключевые слова:

лабораторный образец, напряженно-деформированное состояние, конструкционная прочность, вычислительное моделирование, вариантные исследования, локализация очага разрушения

Библиографический список

  1. Когаев В.П. Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник. – М.: Машиностроение, 1985. – 224 с.
  2. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Инженерные методы. – Л.: Машиностроение, 1968. – 272 с.
  3. Цвик Л.Б., Пимштейн П.Г., Борсук Е.Г. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния многослойного цилиндра с монолитным вводом // Проблемы прочности. 1978. № 4. С. 74–77.
  4. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. – Киев: Изд-во Дельта, 2008. – 816 с.
  5. Васильев Б.Е., Магеррамова Л.А., Колотников М.Е., Голубовский Е.Р., Волков М.Е. Банк данных ЦИАМ по конструкционной прочности материалов // Труды МАИ. 2017. № 96. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=85876
  6. Koutiri I., Bellett D., Morel F. The effect of mean stress and stress biaxiality in high-cycle fatigue // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2017, vol. 41 (6). DOI: 10.1111/ffe.12699
  7. Matake T. An explanation on fatigue limit under combined stress // Bulletin of JSME, 1977, issue 141, pp. 257-263. DOI: 10.1299/jsme1958.20.257
  8. Пхон Х.К., Сысоев Е.О., Кузнецов Е.А., Мин К.Х. Прогнозирования долговечности работы трубопроводов высокого давления при воздействии малоцикловых нагрузок // Труды МАИ. 2019. № 108. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=109237. DOI: 10.34759/trd-2019-108-2
  9. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: Монография. – Новосибирск: Наука, 2005. – 610 с.
  10. Келлер И.Э., Петухов Д.С. Критерии прочности и пластичности. – Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2020. – 157 с.
  11. Berto F., Campagnolo A., Lazzarin P. Fatigue strength of severely notched specimens made of Ti-6Al-4V // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2015, vol. 38 (5), pp. 503-517. DOI: 10.1111/ffe.12272
  12. Leevers P.S., Radon J.C., Culver L.E. Crack growth in plastic panels under biaxial stress // Polymer, 1976, vol. 17 (7), pp. 627-632. DOI: 10.1016/0032-3861(76)90282-2
  13. Bellett D., Morel F., Morel A., Lebrun J.L. A biaxial fatigue specimen for uniaxial loading // Strain, 2011, vol. 47 (3), pp. 227-240. DOI: 10.1111/j.1475-1305.2009.00674.x
  14. Zenkov E.V., Tsvik L.B. Formation of divergent testing efforts and experimental evaluation of material strength under biaxial stretching // PNRPU Mechanics Bulletin, 2015, no. 4, pp. 110-120. DOI: 10.15593/perm.mech/2015.4.07
  15. Zenkov E.V., Tsvik L.B. Accuracy improvement for combined static strength criterion for structures under complex loading // Materials Physics and Mechanics, 2018, vol. 40, pp. 124-132. DOI: 10.18720/МПМ.4012018_15
  16. Tsvik L.B., Zenkov E.V. A comparative analysis of the stress-strain state of disc specimens in assessing the structural strength of materials // Engineering Solid Mechanics, 2022, vol. 10, no. 1, pp. 25-34. DOI: 10.5267/j.esm.2021.12.001
  17. Бондарь В.С., Темис Ю.М., Матвиенко Ю.Г. и др. Конструкционная прочность материалов. Ресурс конструкций высоких параметров. – СПб.: Лань, 2024. – 256 с.
  18. Третьякова Т.В., Третьяков М.П., Лунегова Е.М. Влияние вида напряженно-деформированного состояния на эффекты прерывистой текучести и кинетику полосообразования в сплаве АМг6б // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2021. № 4. С. 122–135. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.4.12
  19. Drucker D.C., Prager W. Soil mechanics and plastic analysis for limit design // Quarterly of Applied Mathematics, 1952, no. 2, pp. 157–165. DOI: 10.1090/QAM/48291
  20. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. - М.: Стандартинформ, 2008. – 26 с.
  21. Зеньков Е.В., Цвик Л.Б. Уточнение уравнений предельного состояния материала конструкций с учетом реального вида их деформирования // Системы. Методы. Технологии. 2017. № 2 (34). С. 28-34.
  22. Цвик Л.Б. Образец для механических испытаний конструкционных сталей в условиях циклического нагружения // Восьмая международная научно-практическая конференция «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 28 марта – 01 апреля 2017). – Иркутск: ИрГУПС, 2017. Т. 2. С. 834–839.
  23. Цвик Л.Б., Зеньков Е.В., Бочаров И.С., Еловенко Д.А. Дисковый образец для оценки конструкционной прочности материала. Патент на изобретение № 2734276, 14.10.2020. Бюл. № 29.
  24. Zenkov E.V., Aistov I.P., Vansovich K.A. Modeling stress state stiffening of the nozzle zone of pressure vessel by finite element method // IP Conference Proceedings, 2019, vol. 2141, pp. 030042. DOI: 10.1063/1.5122092
  25. Цвик Л.Б., Тармаев А.А., Бочаров И.С. Гладкость контуров тел качения подшипников с цилиндрическими роликами и ресурс их циклической работы // Транспорт Урала. 2019. № 3 (62). С. 20-27. DOI: 10.20291/1815-9400-2019-3-20-27
  26. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). ГосНИИВ. – М.: ВНИИЖТ, 1996 (с изменениями и дополнениями).
  27. Кротов С.В., Кононов Д.П. Анализ зоны контакта железнодорожного колеса и рельса // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2022. Т. 19. № 2. С. 221-231. DOI: 10.20295/1815-588X-2022-19-2-221-23
  28. Вилимок Я.А., Назаров К.А., Евдокимов А.К. Напряженное состояние плоских образцов при одноосном и двухосном растяжении // Известия ТулГТУ. Технические науки. 2013. № 11. С. 388–393.
  29. ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости. – М.: ИКП Издательство стандартов, 2004. – 56 c.
  30. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристики трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. – М.: Издательство стандартов, 1985. – 38 с.
  31. Mathiak F., Krawietz A., Nowack H., Trautmann, K.H. Cruciform Planar Specimen for Biaxial Materials Testing, U.S. Patent 5 144 844, issued Sep. 8, 1992.
  32. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. – М.: Наука, 1969. – 420 с.
  33. Лурье А.И. Нелинейная теория упругости. – М.: Наука, 1980. – 512 с.
  34. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. – М.: Мир, 1976. – 464 с.
  35. Рычков С.П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. – М.: ДМК Пресс, 2013. – 784 с.
  36. Зеньков Е.В., Цвик Л.Б., Пыхалов А.А. Дискретное моделирование напряженно-деформированного состояния плоскоцилиндрических образцов с концентраторами напряжений в виде канавок // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 7 (54). С. 6-11.
  37. Цвик Л.Б., Мухомедзянов Н.С., Зеньков Е.В., Еремеев В.К. Дискретное моделирование деформаций и напряжений колёс железнодорожных вагонов на основе их предварительного фрагментирования // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. 2017. Т. 2. С. 786-791.
  38. Петерсон Р.Е. Коэффициенты концентрации напряжений. – М.: Мир, 1977. – 302 с.
  39. Нейбер Г. Концентрация напряжений. – Ленинград: Гостехиздат, 1947. – 205 с.
  40. Цвик Л.Б., Щеглов Б.А., Федотова С.И., Борсук Е.Г. Укрепление отверстий и статическая прочность осесимметричных штуцерных узлов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1993. № 1. С. 58.
  41. Yosri A., Zayed A., Saad-Eldeen S., Leheta H. Influence of stress concentration on fatigue life of corroded specimens under uniaxial cyclic loading // Alexandria Engineering Journal, 2021, vol. 60, pp. 5205-5216. DOI: 10.1016/j.aej.2021.04.004
  42. Antonio Carlos de Oliveira Miranda, Marcelo Avelar Antunes, Marco Vinicio Guamán Alarcón, Marco Antonio Meggiolaro et al. Use of the stress gradient factor to estimate fatigue stress concentration factors Kf // Engineering Fracture Mechanics, 2019, vol. 206, pp. 250-266. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.11.049
  43. ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. – М.: Издательство стандартов, 1979. – 25 с.
  44. ГОСТ 1050-2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ, 2014. – 24 с.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход