CC BY
2
Kechemaikin Vladimir Nikolaevich, candidate economic sciences, vkech@yandex.ru. Russia, Ruzayevka, Ruza-yevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov,
Chugunov Mikhail Vladimirovich, candidate of technical sciences, m.v.chugunov@mail.ru, Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov
УДК. 621.8.036
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-444-445
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПО ВЕЛИЧИНАМ ДИССИПАЦИЙ В УСЛОВИЯХ УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
Г.В. Селиверстов, А.А. Кардаманова, А.А. Лебедева
В статье рассмотрена возможность оценки диссипации малоуглеродистых сталей в условиях малоциклового нагружения. С помощью тепловизионного оборудования возможна фиксация изменения температурных полей в нагруженной части металлоконструкции. Это позволяет оценить значение действующих напряжений, не прибегая к методу тензометрирования.
Ключевые слова: тензометрирование, диссипация, деформация, изменение температуры.
Современное состояние методов и средств диагностирования ответственных элементов металлоконструкции машин подразумевает не только оценку их текущего состояния, но и прогноз его изменения в течении расчетного временного интервала [1,2]. Одним из важных моментов для объективной оценки изменения технического состояния во времени является знание действующих нагрузок в отдельных точках диагностируемого элемента. Кроме того в ряде случаев необходимо знать не только действующие напряжения но и возникающие деформации в элементе в целом или в отдельной его области. Если обратиться к линейной теории упругости, то можно математически описать связь между напряжениями и деформациями. Напряженное состояние определяется компонентами тензора напряжений, а деформации - компонентами тензора деформации [3].
Т =
о
^п т т ^
Lxy Lxz Т yx П y Т yz
О z
у Т zx Т zy О z у
три нормальных напряжения по соответствующим осям, МПа; т = т
где о , о - - .
x y z *xy " yx
шесть касательных напряжений, МПа, симметричных относительно главной диагонали.
С 11 >
8 —Y —Y
x 2 1 xy 2 x
т = т
yz zy
T8 =
11
—Y 8 —y
2 1 yx y 2 yz
1
где S
1
-у —у 8
гч * гх * гу г
V22
£ , £ - относительные удлинения ребер (деформации первого рода); определяющие изменение объема; У г
У , У ,У , У ,У , У ' ' xy ' xz ' yx ' yz ' zx ' zy
- относительные сдвиги (деформации второго рода).
8 x = E x " V y + О z &
8y = E[оy " V (оz +Оx&
r= ^[оz -V(<
О x + О
&
Y xy
Y yz
Y zx
xy
G
т yz
G
G
где Е - модуль упругости первого рода, МПа, V - модуль поперечной деформации, G - модуль упругости второго рода, МПа.
Решение данной системы уравнений подразумевает знание или напряжений или деформаций, что в ряде реальных конструкций является практически невозможным. В этом случае необходимо точное знание напряжений или деформации, которые можно получить либо методами конечного моделирования, либо экспериментальными методами[4]. Конечно-элементное моделирование достаточно широко представлено в современных пакетах САПР, например: SolidWorks, АРМ WinMachine, ANSYS. Однако на точность результатов очень сильно влияет квалификация специалиста выполняющего расчет. Разбитие модели на конечные элементы является достаточно сложной задачей, так как области с концентрацией напряжений могут быть достаточно малы[5,6]. В свою очередь, экспериментальные способы в основном, используют методы делительных сеток (для оценки деформации) и тензометрирования (для оценки напряженного состояния).
т = т
zx xz
8
Перечисленные способы являются также весьма трудоемкими и требуют высокой квалификации специалиста. Это связанно с тем, что интерпретация полученных данных может давать точные результаты только в том случае, если была выполнена правильная предварительная тарировка тензодатчиков. Наиболее часто используются резистивные тензодатчики, которые меняют свое сопротивление при их деформации. Таким образом, выходит, что эти способы являются также в большой степени субъективными и зависящими от квалификации специалиста.
В то же время, одним из интересных моментов, возникающем при деформировании материала, является выделение тепла в результате внутреннего трения по границам зерен, называемое диссипацией[7]. Данную экзотермическую реакцию можно фиксировать на поверхности материала с помощью средств тепловизионного контроля. Очевидно, что максимальная диссипация будет наблюдаться в зоне наибольшего деформирования и при этом за счет теплопроводности рассеиваться в окружающую среду и по самой конструкции. Следовательно, одиночное статическое нагружение будет давать объективную картину о действующих напряжениях только в случае исключения теплопроводности вглубь материала[8].
В реальных условиях такого добиться практически невозможно и по этой причине предлагается использование малоцикловых нагрузок, которые позволят выйти на температурный баланс диссипации и теплопроводности. В качестве эксперимента было проведено малоцикловое нагружение гладкого лабораторного образца из листового проката СТ3СП5 на трех уровнях напряжений. Были взяты уровни в 100МПа, 200МПа и 300МПа, причем 300МПа являются напряжениями, при которых деформации вышли за уровень предела текучести. Эксперимент проводился на разрывной машине Р20, показанной на рис. 1.
Рис. 1. Разрывная машина Р20
Значения температуры пошагово снимались с помощью тепловизора Testo885, в качестве примера на рис. 2-3 показаны теплограммы для полуциклов снятия нагрузки и нагружения для лабораторного образца с амплитудой напряжения 300 МПа.
Рис. 2. Теплограмма лабораторного образца на полуцикле разгрузки
•с
Л
+ и
29.7
И1
®
Е 095
Рис. 3. Теплограмма лабораторного образца на полуцикле нагрузки 300 МПа
В таблицу сведены значения изменений температуры для полуциклов нагружения.
445
Изменение температуры для полуциклов нагружения
№п/п ЛТюо ЛТ200 ЛТ300
1 0 0 0
2 0,1 0,6 1,4
3 0,7 0,2 1,6
4 1,7 1,2 1,3
5 0,7 0,2 2
6 0,6 1,1 1
7 1,4 0,4 2,2
8 1,1 1,4 2
9 1,4 0,3 1
10 1,2 1,3 2,5
Значения таблицы графически представлены на рис. 4
3 2,5 2 1,5 1 0,5 0
0
Рис. 4. Изменение температуры лабораторного образца при малоцикловом нагружении
Анализируя полученные данные можно сделать вывод, что в зависимости от величины амплитуды напряжений, величина диссипации будет также изменяться до достижения определенного значения, которое будет характеризовать выход на температурный баланс с теплопроводностью[9,10].
Для практического применения данного метода, таким образом, нам необходимо знать требуемое количество циклов нагружения для контролируемой металлоконструкции. Оценить это можно двумя способами: расчетным и экспериментальным. Например, Тетрег^ позволяет рассчитать методом конечных элементов практически любую конструкцию с точки зрения теплотехники. Экспериментальный метод будет ограничен подходу, описанному выше, когда проводится нагружение исследуемой конструкции до достижения температурного баланса.
Очевидно, что в зависимости от материала, размеров конструкции и внешней температуры количество циклов нагружения будет варьироваться. Однако как показывают проведенные эксперименты, для достижения результата достаточно проведения 5 полных циклов нагрузки - разгрузки. Затем, имея в наличии диаграмму, связывающую изменения температуры и действующего напряжения, можно определить амплитуды нагрузок действующих в элементе. Пример такой диаграммы показан на рис. 5.
-0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Рис. 5. Диаграммы изменения температуры для образцов из стали Ст3сп5
Были подобраны аппроксимирующие функции, которые дают возможность определить расчетным методом значения действующих нагрузок, по изменению температур поверхности исследуемого элемента металлоконструкции. Данные функции в виде уравнений показаны на рис. 5. В случае наличия дефекта, являющегося концентратором напряжений можно наблюдать наличие возврата температуры, которая будет давать погрешность при значениях напряжений близких к пределу текучести. В то же время для бездефектной поверхности график изменения температуры является монотонно возрастающим, что позволяет его применять для практической оценки напряженно-деформированного состояния исследуемого элемента металлоконструкции.
Список литературы
1. Диагностирование грузоподъемных машин / В.И. Сероштан, Ю.С. Огарь, А.И. Головин и др.: Под ред. В.И. Сероштана, Ю.С. Огаря. М.: Машиностроение, 1992. 192 с.
2. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 623 с.
3. Расчёты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В.И. Мя-ченков, В.П. Мальцев, В.П. Майборода и др.; Под общ.ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. 520 с.
4. Шнейдерович Р.М. Прочность при статическом и повторно-статическом нагружениях. М.: Машиностроение, 1968. 340 с.
5. Вершинский А.В. Технологичность и несущая способность крановых металлоконструкций. М.: Машиностроение, 1984. 167 с.
6. Владимиров В.В. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. 280 с.
7. Вояченко В.Н. Контроль качества сварных конструкций. М.: Машиностроение, 1986. 152 с.
8. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. 456 с.
9. Серегина А.А. Метод определения пластических деформаций в зонах концепции напряжений металлоконструкции грузоподъемных машин // Наземные транспортные-технологические комплексы и средства : материалы Международной научно-технической конференции / отв. ред. Ш. М. Мерданов. Тюмень: ТИУ, 2020. С. 218-222.
10. Серегина А.А. Оценка напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкций по изменению тепловых полей // Молодёжный вестник Политехнического института: сб. статей в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2020. Ч.1. С. 233-237.
Селиверстов Григорий Вячеславович, канд. техн. наук, доцент s456789@mail.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Кардаманова Анна Андреевна, аспирант, seregina.ann-1998@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лебедева Анна Андреевна, магистрант, lebedeva 0411@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DETERMINATION OF THE STRESS-STRAIN STATE BY THE VALUES OF DISSIATIONS UNDER CONDITIONS OF
ELASTIC DEFORMATIONS UNDER LOW-CYCLE LOAD
G.V. Seliverstov, A.A. Kardamanova, A.A. Lebedeva
The article considers the possibility of assessing the dissipation of low-carbon steels under low-cycle loading conditions. With the help of thermal imaging equipment, it is possible to fix changes in temperature fields in the loaded part of the metal structure. This allows you to estimate the value of active stresses without resorting to the tensometre method.
Key words: strain gauge, dissipation, deformation, temperature change.
SeliverstovGrigory Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, s456789@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kardamanova Anna Andreevna, postgraduate, seregina.ann-1998@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lebedeva Anna Andreevna, master's, lebedeva_0411@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 629.7.084
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-447-448
МОДЕЛЬ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОТОВНОСТИ ИЗДЕЛИЯ С УЧЕТОМ МНОГОУРОВНЕВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКТА ЗАПАСНЫХ ЧАСТЕЙ
А.Н. Богдан, А.П. Поляков, Е.С. Демченко, В.М. Локтионов
В статье предлагается графовая модель обеспечения готовности изделия с учетом многоуровневого распределения комплекта запасных частей. Использование модели позволяет обосновать двухуровневую структуру хранения запасных частей для обеспечения требований к коэффициенту готовности изделия. Кроме того, приведенная в статье модель дает возможность оценить ресурсоемкость распределения запасных частей по уровням хранения. Отличительной особенностью модели является комплексное применение экспоненциального закона распределения отказов изделия, законов Эрланга и Пуассона.
Ключевые слова: запасная часть, коэффициент готовности, графовая модель, ресурсоемкость.
Задача многоуровневого распределения технических материальных средств (ТМС) не нова. Большое количество авторов в своих работах, посвященных системе обеспечения ТМС, упоминают о необходимости эшелонирования запасов для эффективного применения оборудования [1 - 4]. В общем случае под эшелонированием запасов понимается размещение их по эшелонам (уровням) хранения с целью эффективного применения изделия.
