Научная статья на тему 'Инженерная оценка циклической долговечности элементов технических СИСТЕМ'

Инженерная оценка циклической долговечности элементов технических СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
444
104
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
элементы технической системы / циклическая долговечность / динамический процесс / НАГРУЖЕННОСТЬ / схематизация / усталость

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Агошков Олег Григорьевич, Цепелев Вячеслав Семенович, Петренко Юрий Алексеевич

Рассматривается задача оценки циклической долговечности механических элементов технических систем, подверженных повторно-переменным эксплуатационным нагрузкам. Для обработки случайного динамического процесса эксплуатационной нагруженности используются методы схематизации, для оценки повреждаемости уравнения феноменологической теории усталости и линейная гипотеза суммирования прочностных повреждений. Приведен пример практической оценки циклической долговечности тяжело нагруженной детали.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Агошков Олег Григорьевич, Цепелев Вячеслав Семенович, Петренко Юрий Алексеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Инженерная оценка циклической долговечности элементов технических СИСТЕМ»

УДК 62-44

ИНЖЕНЕРНАЯ ОЦЕНКА ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

19 ^

О.Г.Агошков , В.С.Цепелев , Ю.А.Петренко

1 Балтийский государственный технический университет (БГТУ), Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., дом 1 2,3Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики,

192171, Санкт-Петербург,ул. Седова, дом 55/1

Рассматривается задача оценки циклической долговечности механических элементов технических систем, подверженных повторно-переменным эксплуатационным нагрузкам. Для обработки случайного динамического процесса эксплуатационной нагруженности используются методы схематизации, для оценки повреждаемости уравнения феноменологической теории усталости и линейная гипотеза суммирования прочностных повреждений. Приведен пример практической оценки циклической долговечности тяжело нагруженной детали.

Ключевые слова: элементы технической системы, циклическая долговечность, динамический процесс, нагруженность, схематизация, усталость.

Отдельные узлы или детали технических изделий, считающиеся статически "достаточно прочными", не выдерживают временного эффекта эксплуатационных нагрузок, что наносит ущерб и торговой марке и уровням продаж, а ежегодные затраты на их ремонт требуют достаточно больших затрат времени и средств.

Одним из основных видов отказов командных элементов изделий, которые не только значительно увеличивают затраты на эксплуатацию, но и зачастую могут вызывать нарушения безопасность эксплуатации, являются усталостные разрушения. Опытные данные показывают, что порядка 80% прочностных отказов связаны с усталостью материала.

К числу наиболее значимых показателей, характеризующих надежность технических изделий, работающих в условиях повторно - переменных нагрузок, относится циклическая долговечность (ЦД) их элементов.

Умение правильно назначить или рассчитать безопасный срок службы машины. обеспечивает экономически обоснованную замену критически важных деталей в ходе технического обслуживания изделий.

Для проведения такого анализа необходимо иметь временные диаграм-

мы нагрузок и напряжений (осциллограммы нагруженности) в потенциально опасных местах командных элементов изделий. Эти осциллограммы могут быть получены экспериментально или из решения соответствующей динамической задачи прочности, например методом конечных элементов (МКЭ).

Все каналы (в безразмерных единицах)

Рисунок 1 - Осциллограммы нагруженности

В общем случае осциллограммы представляют собой график случайного динамического процесса изменения напряжений во времени, обладающего сложной структурой (рис.1). Случайность обусловливается случайным изменением внешних сил, колебаниями элементов конструкции, изменением положения деталей и другими факторами.

Для извлечения из этих графиков количественной информации об уровне циклической напряженности детали, необходимой для расчета на выносливость, требуется заменить реальную нагруженность

совокупностью простых циклов.

В общем случае любой простой асимметричный цикл напряжений характеризуется амплитудой, средним и коэффициентом асимметрии напряжений.

Для такого преобразования применяются две группы методов получения количественной информации о случайных процессах нагружения: методы непосредственной схематизации записей процессов и методы схематизации, основанные на теории случайных функций [1, 2, 3 ].

Под схематизацией понимается совокупность правил, с помощью которых реальный процесс нагружения заменяется схематизированным процессом, эквивалентным исходному по величине усталостного повреждения /1/. При этом параметры циклов, определяющие усталостные повреждения, сохраняются. При схематизации обычно используют определение характеристик за полуцикл схематизированного процесса (^ ц/2). За полуцикл принимается изменение напряжения от одного экстремума до другого.

В условиях автоматизированной обработки информации о нагруженно-сти практическое преимущество по сравнению со всеми известными методами непосредственной схематизации имеет метод «дождя», разработанный японскими специалистами М. Матсуиси и Т. Эндо в 1968г. Метод учитывает как основные, так и наложенные циклы, и позволяет выделить циклы с наибольшим повреждающим воздействием. Правила обработки осциллограммы случайного процесса нагруженности по этому методу определены в работе [ 1 ].

Метод состоит из двух этапов: непосредственно схематизации процесса нагружения и статистической обработки полученной информации.

В результате схематизации получают временной ряд экстремумов полу-циклов (<лгах ;,ап1п;), которые можно

преобразовать к амплитудам (ст .), средним напряжениям (а .) и коэффициентам асимметрии (г .) полуциклов:

= (^тах,; _ ^тт,; )/“’

<Ут,у = (атах,у + ат1п,у )/2?

г =а /а .

а,у тп,У / тах, ]

Совокупность (к) полуциклов за характерный период работы изделия, например, один рабочий ход, называется блоком нагружения. Блок измеряется наработкой, в качестве которой может выступать любой обоснованный характером работы период эксплуатации изделия (часы, циклы работы, км пробега, мили плавания, и т. п.). При этом некоторые полуциклы могут повторяться П раз.

Результаты обработки можно представить в форме таблицы вида:

№ цикла *0,1 ®т,] п

1 ст.л ®т,1 г*л П1

к ®а,к о , т,к ГоЛ Пк

Для практической оценки ЦД необходимо иметь усталостные характеристики материала и кривые усталости материала. Последние, обычно, имеют вид экспериментальной зависимости

К^=Щоа^Ма), (1)

где N і. . - число циклов до разрушения при заданной постоянной амплитуде напряжении аа ., Ма - совокупность

необходимых усталостных и прочностных характеристик материала элемента конструкции.

Для учета наличия разных амплитуд напряжений используется техническая гипотеза линейного суммирования прочностных повреждений. Относительное повреждение в каждом ]-том расчетном цикле нагружения определяется как а] =п]IN{<3а],Ма). Повреждение за один блок нагружения -

ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №1(11) 2010

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

55

а

бл

'У'о і ■ Предельное относительное

]=1

повреждение, соответствующее разрушению, аг = 1.

Число блоков нагружения, выдерживаемых элементом конструкции до разрушения, может быть определено в виде: Ь = а ^ / а6л.

Линейная гипотеза суммирования прочностных повреждений вызывает нарекания специалистов. Тем не менее, она широко применяется на практике из-за простоты и достаточной надежности. Однако, использование любой другой обоснованной гипотезы принципиально сущности проведения оценки не меняет.

Рассмотрим практическое применение представленных выше положений для проектной оценки ЦД тяжело нагруженной детали рычаг - выбрасыватель (рис.2).

На малую лапку рычага ударяет массивный ползун, двигающийся со скорость до 5,5 м/с (сила Р). При повороте вокруг оси зацепом длинного плеча рычаг воздействует на упругую конструкцию (сила К).

Материал детали сталь 38ХН3 с КП-80 по данным стандарта имеет следующие минимальные характеристики: временное сопротивление -св =981 МПа; предел текучести - аП2= 785

МПа; относительное поперечное сужение - \|/=45 %.

Для получения информации о на-груженности выполнен конечноэлементный анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) детали в динамической постановке при различных возможных режимах нагружения. КЭ-модель детали и характер распределения НДС для одного из режимов представлены на рис.2, 3.

На рис.4 представлен упрощенный график расчетной динамической нагруженности детали в узле № 843.

В результате схематизации выделяются 3 полных цикла (выделены цве-

том на рис.4.) с характеристиками, представлеными в таблице 1.

Поскольку деталь работает в условиях реверсивного упругопластического деформирования с числом циклов, то в качестве зависимости (1) целесообразно использовать уравнения феноменологической теории усталостного разрушения в малоцикловой зоне [2,3].

Рисунок 2 - КЭ-схема нагруженной детали

Рисунок 3 - Распределение интенсивности напряжений

При расчетах циклической долговечности на малоцикловую усталость применяются зависимости, учитывающие асимметрию нагружения [2]:

-для жесткого нагружения :

( 1 л

1п

Е

1

1-у

1 +

\ + г 1-7-

-для

к

мягкого нагружения:

ґ ■, \

АЕ

і 1 + г г

1 н------к ,

1-г _1

где г - коэффициент асимметрии; \|/6 -

пластичность материала с учетом асимметрии; т\, Ш2 - показатели степени кривой усталости; ст_1= А_гав - предел ограниченной выносливости при симметричном цикле.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1OOO

5OO

а)

п\

I O

^ 1111,5 12 12,5 13 13,5 14 1^5 ^

б)

Таблицаї - Результаты схематизации

№ цикла Интенсивность напряжений, МПа - -т К О цм a s S

max min ампли- туда среднее сф К Ё &У £ эа § Ё е

1 1330 0 665 665 0,0

2 780 600 90 690 0,8

3 1280 1170 55 1225 0,9

Эти нагружения представляют собой достаточно контрастные режимы, между которыми располагаются реальные зоны работы элементов конструкций. Тогда, число циклов до разруше-

ния в каждом расчетном цикле определяется как минимальное значение :

Ж

, где 1= 1,2;

N':

ж

-G

1 /

N,

L = a

/,расч = mi.l( N,, 7 = 1,2).

Число выстрелов до разрушения a

f бл ■

Расчеты по указанным выше зависимостям, проведенные с помощью электронных таблиц MS EXCEL представлены в таблице 2.

Как следует из расчетов деталь может выдержать10 тысяч рабочих циклов (рис.4).

Таблица 2 - Результаты оценки циклической долговечности

Амплитуда напряжений, МПа

665 90 55

N1 (жесткое нагружение) 1,0E+04 1,0E+11 1,0E+11

N2 (мягкое нагружение) 2,83E+07 1,00E+11 1,00E+11

Nmin 1,0E+04 1,0E+11 1,0E+11

Повреждение 9,90E-05 0,00E+00 0,00E+00

Сум Повреждение 9,90E-05

Цикл долгов 10101

Литература

1. ГОСТ 25.101-83 Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов. - М.: Издательство стандартов, 1983.

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Петинов С.В. Основы инженерных расчетов усталости судовых конструкций. Л.: Судостроение,- 1990.

т

хОлег Григорьевич Агошков, доктор технических наук, профессор, директор Института Систем Вооружения, заведующий кафедройБГТУ. Тел.: +7 921 898-23-52.

2 Вячеслав Семенович Цепелев, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Техническая механика» СПбГУСЭ. Тел.: +7 981 736-13-90.

3 Юрий Алексеевич Петренко, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Техническая механика» СПбГУСЭ. Тел.: +7 981 736-13-90.

ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №1(11) 2G1G

57

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.