Дисковый образец для оценки конструкционной прочности материала
DISK SAMPLE FOR EVALUATION OF STRUCTURAL STRENGTH OF MATERIAL

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к образцам для оценки прочности материалов при сложном напряженно-деформированном состоянии (НДС), характеризуемого двухосным растяжением или сжатием. Изобретение может быть использовано при оценке статической и усталостной прочности, а также прочности материала в условиях хрупкого разрушения. Соответствующие испытания необходимы при обеспечении прочности конструкций с концентраторами механических напряжений, например, соединений оболочек с патрубками, в энергетическом оборудовании, сосудах давления, реакторах, несущих элементов транспортной техники и другом высоконагруженном оборудовании.
Ресурс работоспособности современных конструкций в зависимости от назначения и условий их работы оценивается по характеристикам статической прочности материала конструкции, по характеристикам циклической его прочности, а также по характеристикам его трещиностойкости. Известно, что при различных видах НДС: в условиях всестороннего сжатия, одноосного растяжения и сдвига, а также при сложных видах НДС, являющиеся их комбинацией, критерии прочности материала конструкций могут существенно различаться. По этой причине, вид НДС в рабочей зоне лабораторных образцов материала, испытываемых до разрушения, должен совпадать с видом НДС в очаге возможного разрушения конструкции [1-4]. Указанный вид характеризуется коэффициентом вида напряженно-деформированного состояния П (далее - коэффициент вида НДС), определяемого отношением [1-7]
где
1
2
3
где σ, σ, σ - главные напряжения в очаге разрушения.
Тензометрия, а также численное моделирование полей напряжений высоконагруженных элементов показало, что значения величины коэффициента П в возможном очаге разрушения широкого класса конструкции лежит в диапазоне значений
Примером учета вида НДС (П<0, [6]) ответственных конструктивных элементов является расчет на прочность зоны контакта тела качения подшипника букс железнодорожных вагонов и его неподвижного кольца. В этом случае значение величины П близко к - 2 и для стали типа ШХ4, используемой для изготовления подшипников, нормативные допускаемые контактные напряжения равны 3500 МПа [8], что более чем вдвое превышают допускаемые напряжения для этой стали в условиях одноосного растяжения, равные ≈1250 МПА. Эксперименты, показывающие противоположный эффект - снижение прочностных свойств материала в условиях двухосного растяжения (так называемый «жесткий вид НДС», соответствующий первому из неравенств (3) [6]), приведены в [9, 10].
Учет вида напряженного состояния при оценке прочности высоконагруженных элементов конструкций необходимо осуществлять как на стадии лабораторных исследований материала конструкций, так и на стадии длительных и представительных натурных исследований их прочности [11].
Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии, имеющий форму прямоугольной пластины с концентраторами механических напряжений, выполненных в виде U- и V-образных вырезов одинакового размера и конфигурации, расположенных на узких противоположных сторонах (ребрах) пластины [ГОСТ 25.504-82.
Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости. - М., ИКП Издательство стандартов, 2004. Стр. 8, 46, чертеж 11]. Использование таких образцов при оценке прочности конструкций, в материале которых возникает сложное напряженное состояние, характеризуемое одним из неравенств (3), не обеспечивает необходимой точности оценки прочности моделируемых конструкций. По этой причине указанный образец не позволяет осуществлять моделирование напряженно-деформированного состояния во всем диапазоне изменения величины П, соответствующем неравенствам (3).
Известен также образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии [Описание изобретения к патенту РФ №2091748 на «Способ испытания металла трубы на усталость при двухосном напряженном состоянии (варианты)». МПК G01N 3/32. Опубл. 27.09.1997]. Образец является частью цилиндрической оболочки, имеет крестообразную форму и две взаимно перпендикулярные плоскости симметрии. Указанный образец подвергают одновременному поперечному и продольному сжатию-растяжению с помощью двух различных синхронно работающих гидравлических приводов. Недостаток такого образца состоит в том, что при его испытании требуется сложное нестандартное испытательное оборудование, имеющее два независимых силовых привода. При этом указанные приводы должны создавать усилия, действующие на образец и изменяющиеся в процессе испытаний пропорционально и одновременно по двум перпендикулярным осям, что существенно усложняет и повышает стоимость процесса испытания указанного образца.
Известен образец для оценки прочности материала, испытывающего двухосное НДС, имеющий форму призмы, продольную и поперечную плоскости симметрии, два боковых выступа, расположенных продольно. Указанный образец имеет в поперечном сечении L - или V - образную форму с наружным галтельным переходом, по концам призмы [Описание изобретения к патенту РФ №2516599 на «Призматический образец для оценки прочности материала». МПК G01N 1/28//Зеньков Е.В., Цвик Л.Б., Пыхалов А.А. и др. Опубл. 20.05.2014 г., Бюл. №14]. При проведении механических испытаний указанный призматический образец своими концами опирается на концевые опоры и, одновременно, L-образными выступами с упорными скосами - на боковую опору. При этом происходит контактное взаимодействие упорного скоса с боковой опорой, имеющей те же углы скоса. Под действием испытательного усилия, в рабочей зоне, расположенной на поверхности галтельного перехода в средней части образца, примыкающей к его поперечной плоскости симметрии, может создаваться НДС, удовлетворяющее одному из неравенств (3). Недостатками указанного образца являются сложность его формы (наличие системы выемок и выступов) и двухопорная схема его базирования в опорных элементах приспособления, требующая использования как массивных боковых призматических опор, так и концевых опор образца, что существенно повышает требования к точности изготовления и качеству контактирующих поверхностей, необходимых для создания двухосного НДС.
Известен образец для определения характеристик трещиностойкости при статическом нагружении [ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определения характеристик трещиностойкости при статическом нагружении. Сб. стандартов. - М.: Стандартинформ, 2005 год. Стр. 145, чертеж 4]. Образец используется для лабораторных механических испытаний до разрушения материала с целью оценки конструкционной прочности несущих элементов различных высоконагруженных конструкций. Образец имеет форму толстостенной относительно узкой прямоугольной пластины, опирающийся на две концевые опоры, имеет, кроме того, краевой надрез, расположенный в средней части поверхности опирания, а также поверхность нагружения, в средней части которой прикладывается испытательная нагрузка, в направлении, поперечном для испытываемого образца. Использование такого образца при определении конструкционной прочности материала не обеспечивает необходимой точности оценки прочности в тех случаях, когда конструктивные элементы конструкции находятся в сложном НДС. Это связано с тем, что главные напряжения в указанном образце создают в зоне V-образного надреза (рабочей зоне образца) НДС, как правило, не соответствующее НДС оцениваемой конструкции, что не позволяет осуществлять расчетно-экспериментальную оценку прочности конструкции во всем диапазоне изменения вида НДС, определяемом неравенствами (3).
Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии, принятый в качестве прототипа [Описание изобретения к патенту РФ №2360227 на «Образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии». МПК G01N 3/08//Цвик Л.Б., Пыхалов А.А., Храменок М.А. и др. Опубл. 27.06.2009 г., Бюл. №18], имеющий форму круглой пластины с U- или V-образными канавками, расположенными на противоположных сторонах пластины. В процессе испытаний образца он опирается по наружной кромке и при этом в его рабочей зоне, расположенной в центре круглой пластины на поверхности нижней U-образной канавки, может создаваться НДС, удовлетворяющее одному из неравенств (3). Недостатком указанного образца является то, что, как показало вычислительное моделирование, изменение его геометрических параметров (глубины и ширины канавок, а также радиусов их скругления в рабочей зоне) не приводит к необходимому изменению величины П во всем диапазоне, описываемом неравенствами (3). Другими словами, значение величины П указанного образца не является достаточно управляемым и чувствительным к изменению его геометрических параметров.
Задача данного предложения является создание дискового образца для расширения диапазона возможного изменения коэффициента вида НДС, характеризующего НДС используемого образца, для оценки прочности материалов конструкций.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый дисковый образец для оценки прочности материала в условиях сложного НДС выполнен в виде усеченной круглой пластины постоянной толщины (далее - основной пластины), имеющей поверхности опирания и нагружения, ограниченные внешними круговыми контурами, центры которых совпадает с геометрическими центрами этих поверхностей. Указанная пластина снабжена краевым надрезом (канавкой), расположенным на одной из этих поверхностей, а усечение основной пластины осуществляется двумя плоскостями, симметричными относительно ее геометрического центра и перпендикулярными ее срединной поверхности (далее - плоскостями усечения). Краевой надрез предлагаемого образца представляет собой канавку, которая может иметь в поперечном сечении U- или V-образную форму, симметричную относительно плоскости, перпендикулярной срединной поверхности основой пластины и проходящей через геометрический центр этой поверхности.
Технический результат изобретения выражается в расширении диапазона изменения вида НДС, возникающего в рабочей зоне образца во всем диапазоне (3), за счет соответствующего изменения расстояния между двумя плоскостями усечения образца, а также изменения соотношения ширин и глубин краевого надреза, изменения радиуса скругления его канавки в рабочей зоне. Указанный результат позволяет создать в предлагаемом образце НДС, уровень которого необходим для его разрушения и характеризуется при этом заданным значением П, лежащим в пределах диапазона (3).
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично показан вид четверти дискового образца для оценки прочности материала, имеющего продольную и поперечную плоскости симметрии; на фиг. 2 - вид на дисковый образец для оценки прочности материала сверху; на фиг. 3 - поперечный разрез дискового образца для оценки прочности материала по линии А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - продольный разрез дискового образца для оценки прочности материала по линии Б-Б на фиг. 2: на фиг. 5 - результаты численного моделирования НДС предлагаемого дискового образца.
Предлагаемый дисковый образец для механических испытаний материала на прочность в условиях сложного НДС выполнен в форме пластины 1, имеющей поверхность опирания 2, ограниченную внешним контуром 3, канавку 4, расположенной на этой поверхности, а также поверхность нагружения 5. В свою очередь пластина 1 представляет собой диск, усеченный двумя плоскостями 6, симметричными относительно центра диска и перпендикулярными его срединной поверхности так, что пластина 1 имеет симметричную форму, а внешний контур 3 поверхности опирания 2 представляет собой часть окружности.
В процессе механических испытаний образца он опирается своим внешним контуром 3 на кольцевую опору 7. В центральной части образца к его поверхности нагружения 5 прикладывается поперечное (на фиг. 2 - вертикальное) испытательное усилие 8, распределенное по поверхности круговой формы 9. Под действием этой силы на поверхности радиуса скругления 10, которая является рабочей зоной - концентратором механических напряжений, канавки 4 на оси вращения образца возникает сложное напряженно-деформированное состояние.
1
2
3
Предлагаемый дисковый образец для оценки прочности материала в условиях сложного НДС деформируется в процессе испытаний следующим образом. При проведении механических испытаний образец базируется по своему внешнему контуру 3 поверхности опирания 2. Под действием испытательного усилия 8, распределенного по поверхности круговой формы 9, пластина 1 изгибается и в рабочей зоне поверхности радиуса скругления 10 возникает изгибающий момент, вызывающий положительные главные напряжения σ, которые являются растягивающими напряжениями, действующими перпендикулярно направлению канавки 4. Одновременно в процессе нагружения в рабочей зоне по направлению канавки 4 на поверхности радиуса скругления 10 возникает изгибающий момент, вызывающий положительные главные напряжения σ, которые также являются растягивающими напряжениями, действующими по направлению канавки 4. Напряжения σ на поверхности радиуса скругления 10 (напряжения в направлении нормали к поверхности радиуса скругления 10) равны в процесс испытания нулю, что создает на поверхности радиуса скругления 10 двухосное НДС.
При моделировании на лабораторном образце напряженных состояний, характеризуемых двухосным сжатием (случай первого из неравенств (3)), необходимый вид НДС в этом образце создается сменой положения образца в испытательной машине: поверхность нагружения и поверхность опирания образца при этом меняются местами, а сам образец для этого переворачивается.
При использовании предлагаемого образца предварительно должна быть осуществлена оценка НДС детали конструкции, прочность которой оценивается. Для выбора соответствующих геометрических параметров образца необходимы зависимости уровня величины П, характеризующей его НДС от значений геометрических параметров, представленные на фиг. 5.
i
Как показали результаты численного моделирования НДС, уровень значений интенсивности напряжений σ в рабочей зоне имеет максимальное значение для предлагаемого образца в целом. По этой причине очаг разрушения указанного образца локализуется в средней его части на поверхности на поверхности радиуса скругления 10 (в рабочей зоне дискового образца). При варьировании значений конструктивных параметров рассматриваемого образца - расстоянием между двумя усеченными плоскостями диска образца 6 (на фиг. 5 параметр S), ширины и глубины канавки 4, радиуса скругления 10 канавки 4 величине коэффициента П может быть придано любое значение, удовлетворяющее неравенствам (3).
Список использованной литературы
1. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. - М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.
2. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. - Новосибирск: Наука, 2005. - 610 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. Л.Б. Цвик [и др.] Укрепление отверстий и статическая прочность осесимметричных штуцерных узлов // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1993. - №1. - С. 58-65.
5. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. - К.: Изд-во Дельта, 2008. - 816 с.
6. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Инженерные методы. - Л.: Машиностроение, 1968. - 272 с.
7. Agogino A.M. Notch effects, stress state and ductility // Journal of Engineering Materials and Technology, Transactions of the ASME. - 1978. - V. 100. - pp. 348-355.
8. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных), ГосНИИВ. - М.: ВНИИЖТ, 1996 (с изменениями и дополнениями).
9. 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.
10. Вилимок Я.А., Назаров К.А., Евдокимов A.K. Напряженное состояние плоских образцов при одноосном и двухосном растяжении // Известия ТулГТУ. Технические науки. - 2013. - №11. - С. 388-393.
11. ГОСТ 33783-2016. Колесные пары железнодорожного подвижного состава Методы определения показателей прочности: межгосударственный стандарт: дата введения 2017-05-01 / разраб. ОАО "Научно-исследовательский конструкторско-технологический ин-т подвижного состава". - Москва: Стандартинформ, 2016. - III, 57 с.