Прогнозирование статистических характеристик сопротивления усталости деталей машин по данным ограниченного числа испытаний тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Введение.

Глава

Современные методы определения усталостных свойств элементов конструкции.

1.1 Кривая усталости материала.

1.2 Оценка рассеивания результатов усталостных испытаний.

1.3 Способы оценки влияния конструктивных факторов на долговечность.

1.4 Способы оценки влияния технологии производства деталей на их долговечность.

1.5 Цель и задачи исследования.

Глава

Прогнозирование статистических характеристик сопротивления усталости деталей по данным ограниченных испытаний.

2.1 Основные положения и зависимости предлагаемого метода.

2.2 Последовательность выбора базовой кривой усталости.

2.3 Оценка влияния технологических факторов производства деталей на их долговечность.

2.4 Пример получения кривой усталости по результатам ограниченных испытаний.

Глава

Экспериментальное подтверждение предлагаемого метода.

3.1 Оценка качества обработки поверхности.

3.2 Применение дисперсионного анализа при оценке точности предлагаемого метода.

3.3 Оценка влияния анизотропии механических свойств на долговечность материала.

3.4 Оценка влияния сварного шва на долговечность материала.

Глава 4г

Экспериментальное исследование долговечности конструкционных материалов.

4.1 Методика проведения испытаний конструкционных материалов. Обработка результатов.

4.2 Анализ результатов испытаний материалов.

Зак лючение.

Аитература.

Разрушение машиностроительных конструкций, работающих в условиях вибраций, может происходить от действия статических или динамических нагрузок. Причем, разрушение от статических или пиковых динамических нагрузок происходит в основном в результате аварии или из-за ошибочного проектного расчета, что бывает довольно редко, и, как правило, выход конструкции из строя обусловлен длительным действием динамических нагрузок и обычно носит усталостный характер.

Чтобы свести к минимуму вероятность возникновения таких отказов, для проектируемых элементов машиностроительных конструкций необходимо выполнять расчеты получаемых в итоге характеристик сопротивления усталости, на базе которых производится оценка ресурса и запасов прочности.

Общую задачу определения характеристик сопротивления усталости деталей машин можно представить как совокупность задач расчета ее нагружен-ности, экспериментального определения усталостных свойств материала и оценки влияния на эти свойства конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, которые возникают при переходе от лабораторного образца к натуральному элементу конструкции.

Существующие методы статистической динамики и расчета нагружен-ности, изложенные в работах В.В. Болотина, В.А. Светлицкого, А.А. Силаева, Н.И. Гриненко, Ю.С. Павлюка и др., позволяют при известном случайном воздействии и динамических параметрах системы вычислять статистические характеристики ее выхода в виде спектральных плотностей ускорений, перемещений, напряжений и других параметров случайных процессов.

Результаты исследований усталостных свойств лабораторных образцов материалов и деталей машин и приведены в трудах C.B. Серенсена, В.П. Когаева, В.Т. Трощенко, И.В. Кудрявцева, М.Н. Степнова, Е.В. Гиацинтова, М.Я. Гальперина, А. Кеннеди, Р. Хейвуда, Г. Ниситани, К. Массоне и др.

Различные методы расчета усталостной долговечности машиностроительных конструкций рассмотрены такими учеными, как H.H. Афанасьев, В.В. Болотин, C.B. Серенсен, В.П. Когаев, В.Т. Трощенко, М.Н. Степнов, Н.И. Гри-ненко, В. Вейбулл, Г. Нейбер, Р. Хейвуд, Р. Петерсон и др.

Анализ существующих подходов к оценке ресурса и запасов прочности элементов конструкции в условиях эксплуатационного нагружения показывает, что в настоящее время уже разработаны расчетные методы, позволяющие оценивать влияние на усталостные свойства деталей таких факторов, как концентрация напряжений, масштаб, вид нагружения и некоторых других. В тоже время существующие способы оценки технологических и большинства эксплуатационных факторов базируются на проведении большого количества лабораторных испытаний, что является очень неудобным, поскольку требует больших материальных и временных затрат.

Между тем , при проектировании или доводке новой конструкции вопрос об изменении технологии производства ряда деталей и узлов встает довольно часто. В связи с этим, целью данной работы является разработка вероятностного метода, позволяющего прогнозировать статистические характеристики сопротивления усталости деталей машин по данным ограниченного числа испытаний.

В данной работе будет рассмотрен вероятностный метод, позволяющий восстанавливать кривую усталости детали или элемента конструкции после изменения технологии их изготовления. Исходной информацией для этого будет служить база данных с результатами усталостных испытаний и результаты испытаний 5.6 образцов или деталей на каком-нибудь одном уровне нагружения.

Основным преимуществом предлагаемого метода перед существующими в настоящее время является минимальное количество экспериментальных данных, необходимое для его применения.

Научная новизна. На основе обобщения экспериментальных данных и информации о влиянии технологических факторов производства на усталостные свойства деталей машин было сделано допущение о постоянстве угла наклона к оси долговечностей кривых усталости деталей, имеющих схожую внутреннюю структуру. На основании этого допущения получены расчетные зависимости для определения статистических параметров кривой усталости по результатам испытаний 5.6 образцов или деталей.

Практическая значимость работы. Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

- разработана методика ускоренной экспериментальной оценки влияния технологических факторов изготовления деталей на их долговечность.

- получены аналитические зависимости определения статистических параметров кривой усталости материала.

- для обеспечения простоты использования вероятностного метода в практике инженерных расчетов деталей машин на усталость разработана компьютерная программа ШТАЬОЗТ.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 3 печатных работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка литературы, включающего 43 наименование и приложения. Она изложена на 108 страницах основного текста и содержит 47 рисунков, 7 таблиц.

Заключение

Огромное количество усталостных испытаний, проведенных разными организациями и лабораториями, привели к тому, что в существующих базах данных для одного и того же материала можно найти десятки кривых усталости, но использовать их при проектировании или доводке новой конструкции очень часто не представляется возможным из-за того, что экспериментальные данные были получены при несовпадающих с требуемыми для расчета способами нагружения, конструктивными или технологическими факторами.

В ходе выполнения диссертационной работы было сделано следующее:

1. На базе существующих алгоритмов DETAL и ZONA, позволяющих производить пересчет одной формы образца или детали применявшейся при усталостных испытаниях на любую другую и производить оценку влияния различных технологических факторов производства этих деталей на их долговечность, были разработаны вычислительные программы, необходимые для проведения исследований и расчетов кривых усталости деталей.

2. В результате проведенных исследований разработан вероятностный метод расчета характеристик сопротивления усталости деталей машин после изменения технологии их изготовления по результатам испытаний 5.6 образцов или деталей на одном уровне нагружения. Отличительной особенностью этого метода является минимально необходимое количество экспериментальной информации для его использования.

3. Разработана методика ускоренной экспериментальной оценки влияния технологических факторов изготовления деталей на долговечность, позволяющая существенно сократить объем испытаний, время и стоимость работ и обеспечивающая приемлемую для практических расчетов точность

-119

4. На основании принятого допущения об одинаковости углов наклона к оси долговечности кривых усталости образцов, изготовленных из материалов, схожих по своей внутренней структуре, были получены расчетные зависимости и разработана вычислительная программа ШТАЬОЗТ, позволяющая в режиме диалога определять характеристики сопротивления усталости деталей машин.

5. Были проведены экспериментальные исследования долговечности материалов 01420, 01421, 1570 и получены соответствующие характеристики сопротивления усталости, которые впоследствии использовались для подтверждения предлагаемого метода.

6. Был проведен сравнительный анализ предлагаемого вероятностного метода расчета с результатами экспериментальных исследований образцов и деталей из сталей и алюминиевых сплавов, который показал, что разработанный метод обеспечивает хорошую точность при определении пределов ограниченной выносливости деталей машин.

Аитератур»

1. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. - М.: Машиностроение, 1977. - 332 с.

2. Когаев В.П., Махутов НА., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. - М.: Машиностроение, 1985. - 223 с.

3. ГОСТ 25.504 - 82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости. - Введ. 01.07.1983.

4. Афанасьев H.H. Статистическая теория усталостной прочности металлов. - Киев: Изд-во АН УССР, 1953. - 128 с.

5 Афанасьев H.H. Статистическая теория усталостной прочности металлов //Журнал технической физики. - 1940. - 10 с. - Вып. 19. - С. 21 - 57.

6. Бойцов Б.В. Надежность шасси самолета. - М.: Машиностроение, 1976. - 216 с.

7. Одинг ИЛ. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. - М.: Машгиз, 1961. - 260 с.

8. Сервисен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович РМ. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. - М: Машиностроение, 1975. - 488 с.

9. Вагонов Р.Д. Методика вероятностной оценки масштабного эффекта по повреждению макротрещиной усталости // Завод, лаб. - 1964. - №8. - с. 1006 - 1012.

10. Вагапов Р.Д. Преобразование рассеивания характеристик усталостной прочности (Статистическая теория и ее ограничения) // Машиноведение. - 1965. - №4 - с. 78 - 92.

11. Нейбер Г. Концентрация напряжений. - М.: Гостехгодат, 1974. - 204 с.

12. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. - М.: Мир, 1977. - 302 с.

13. Давиденко H.H. Некоторые вопросы усталостной прочностей стали. - М.: Машгиз, 1953.- 216с.

14. Хейвуд Р.Б. Проектирование с учетом усталости. - М.: Машиностроение, 1969. - 504 с.

15. Одинг И.А. Метод определения циклической вязкости и применение его при расчетах концентрации напряжений //Весте, машиностроения. - 1948. - №1 - с. 30 - 35.

16. Степнов М.Н., Гиацинтов Е.В. Усталость легких конструкционных сплавов. - М.: Машиностроение, 1973. - 317 с.

17. Кудрявцев И,В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении. М.: Машгаз,1958. - 278 с.

18. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. - Киев: Наук, дамка, 1981. - 344 с.

19. Кеннеди А.Д. Ползучесть и усталость в металлах. - М.: Металлургия, 1965. - 312 с.

20. Форрест П. Усталость металлов. -М.: Машиностроение, 1986. - 362 с.

21. БлотинВ.В. Статистические методы в строительной механике. - М.: Стройиздат, 1965. - 280 с.

22. Екимов В.В. Вероятностные методы в строительной механике корабля. - Л.: Судостроение, 1966. - 328 с.

23. Грачев ПО. Взаимодействие вагонов и железнодорожного пути: Тр. ЦНИИ МПС - М.: Транспорт, 1968. Вып. 356. - 208 с.

24. Лейкин A.C. Концентрация напряжений в галтелях ступенчатых валов при изгибе и кручении // Пробл. прочности в машиностроении. - 1959. - №4 - с. 61 - 86.

25. Проскуряков В.Б. Динамика и прочность рам и корпусов транспортных машин. - Л.: Машиностроение, 1972. - 232 с.

26. Дмитриченко С.С., Попев B.Ä., Боровик А.П. Автоматизация расчета на ЭВМ долговечности элементов машин при случайных процессах нагружения // Вестн. машиностроения. - 1982. - №1 - с. 7 -11.

27. Гриненко Н.И., Завалич И.Г. Шефер Л.А. Влияние асимметрии на долговечность при гармоническом и случайном нагружении // Пробл. прочности. - 1985. - №5 - с. 74 -77.

28. Завалич ИТ., Шефер ЛА. Прогнозирование усталостной долговечности на основе характеристических параметров процессов нагружения // Пробл. прочности. - 1982. -№10 - с. 25 - 30.

29. Завалич И.Г. Прогнозирование долговечности элементов конструкций при случайном нагружении: Автореф. дне. канд. техн. наук. - Челябинск, 1983. 18 с.

30. Архипов В.В. Накопление усталостных повреждений и расчет долговечное™ при случайной нагрузке: Автореф. дис. . канд. техн. наук. - Куйбышев, 1974. - 16 с.

31. Болотин В.В. Прочность и накопление повреждений при случайных нагрузках // Расчеты на прочность. - М.: Машгаз, -1961. - №7 - с. 23 - 49.

32. Ежов В.Г. Ускоренный метод оценки усталостной прочности элементов конструкций при действии случайных процессов различной сложности структуры: Автореф. дис. . канд. техн. наук. - Челябинск, 1977. - 20 с.

33. Сервисен C.B. Накопление усталостных повреждений при нестационарной напряженности // Вопросы механической усталости. -М.: Машиностроение, 1964. - с. 139 -166.

34. Меньшиков С.Я. Вероятностный метод расчета характеристик сопротивления усталости элементов конструцкций: Автореф. дис. . канд. техн. наук. - Челябинск, 1989. - 16 с.

35. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. М.: Машиностроение, 1985. - 231 с.

36. РД 50 - 686 - 89. Методические указания. Методы ускоренных испытаний на усталость для оценки пределов выносливости материалов, элементов машин и конструкций. -Введ. 01.01.1990.

37. Воробьев A3., Ольгин Б.И., Стебнев В.Н., Родченко Т.С. Сопротивление усталости элементов конструкции. М,: Машиностроение, 1990. - 240 с.

38. Вопросы механической усталости / Под ред.Серенсена C.B. М.: Машиностроение, 1964 - 380 с.

39. Гриненко Pl.И., Шефер Л А. Спектральный метод оценки усталостной долговечности при действии случайной нагрузки /У Проблемы прочности. - №1 - 1975. -с. 19 - 22.

40. Шефер ЛА. Оценка генеральной совокупности характеристик обобщенной диаграммы усталости // В. сб.: Динамика и прочность конструкций. CHT. Челябинск, 1987.

41. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К., . Расчеты на прочность в машиностроении. - М.: Машгаз, 1959. - Т.З. -1118 с.

42. Гриненко H.H. Завалич И.Г. Меньшиков С.Я., Шефер ЛА. Прогнозирование усталостной долговечности элементов конструкций летательных аппаратов // Вопросы прочности и долговечности элементов конструкций летательных аппаратов. -Куйбышев: Межвузовский сборник. - 1988.

43. Кузнецов A.A., Алифанов О.М. Ветров В.И. и др. Вероятностные характеристики прочности авиационных материалов и сортамента. Справочник. М., Машиностроение, 1970 - 576 с.