Лекции по прочности двигателей. Лек_Проч_РД!. Конструкционная прочность элементов ла

• Название: Конструкционная прочность элементов ла
• Анкор: Лекции по прочности двигателей
• Дата: 28.06.2022
• Размер: 1.21 Mb.
• Имя файла: Лек_Проч_РД!.doc
• Тип: Анализ; #618558
• страница: 2 из 7

Построение математических моделей и выбор расчетных схем

Модель материала

В прочностных расчётах материал детали представляют сплошной средой, что позволяет рассматривать тело как непрерывную среду и применять методы математического анализа. Материал может быть однородным или неоднородным, изотропным или анизотропным и при этом может быть наделён, например, такими свойствами, как упругость, пластичность, вязкость, ползучесть, хрупкость и другими.

Модель формы

Геометрия реального элемента конструкции обычно сложна. Точный учёт всех геометрических особенностей детали невозможен, да и нецелесообразен.

На практике при оценке прочности в геометрию вводятся упрощения деталь приводится к схеме стержня, бруса, пластины, оболочки, массива.

Стержень или брус – тело, поперечные размеры которого малы по сравнению с его длиной. Стержень может иметь постоянное или переменное по длине сечение. В частности, кольцо можно считать стержнем с криволинейной плоской осью, а пружину – как стержень с пространственной криволинейной осью.

Пластина – тело, ограниченное двумя плоскими или слабоизогнутыми поверхностями и имеющее малую толщину.

Оболочка – тело, ограниченное двумя поверхностями и имеющее малую толщину по сравнению с радиусом кривизны и длиной.

Пространственное тело (массив) – тело, размеры которого в трёх измерениях соизмеримы.

Модели нагружения

Мерой механического взаимодействия элементов конструкции является сила. Если элемент конструкции рассматривается изолированно от сопряжённых деталей, то действие на него последних заменяется силами, которые называют внешними.

Силы взаимодействия между частями отдельной детали или между деталями в сопряжении, называют внутренними.

Часто такое деление носит условный характер. Например, при оценке надёжности работы корпусных деталей сосуда под давлением болты, стягивающие корпус и крышку, исключают из рассмотрения, а их действие заменяют внешними силами. Но при общей оценке работоспособности сосуда эти силы будут внутренними.

При схематизации условий работы в расчёты вводят и другие упрощения силы делят на сосредоточенные, распределённые и объёмные.

Сосредоточенной называют силу, действующую на небольшую часть поверхности детали.

Распределённой называют силу, действующую на значительном участке поверхности, соизмеримым с полной поверхностью (например, давление жидкости или газа на внутреннюю поверхность сосуда).

Заметим, что в зависимости от цели расчёта одна и та же нагрузка может рассматриваться или как сосредоточенная, или как распределённая.

Объёмной называют силу, известным способом распределённую по объёму (массе) тела. Например, это сила инерции, сила электромагнитного притяжения и другие.

По характеру изменения во времени нагрузки делят на статические и переменные.

Статическая – это или постоянная, или медленно меняющаяся во времени. В последнем случае критерием «медленности» является малость возникающих в конструкции инерционных сил.

Переменные – нагрузки приводят к возникновению в элементах конструкции значительных инерционных сил. При этом различают циклические и ударные переменные нагрузки. В первом случае их изменение во времени описывается периодической функцией, а во втором – разрывной. В случае циклического нагружения разрушение носит усталостный характер, в случае ударного – волновой.

Модель разрушения

Моделям нагружения соответствуют модели разрушения – уравнения или условия, связывающие параметры работоспособности элемента конструкции в момент разрушения с параметрами, обеспечивающими прочность. Эти условия часто называют условиями прочности.

Причём, понятие «прочность» в инженерной практике часто носит более широкий смысл и подразумевает не только исключение возможности разрушения конструкции, но и ограничение по уровню деформирования или, например, недопущение в процессе эксплуатации неупругих деформаций.

Механизмы разрушения

Выход из строя металлических конструктивных элементов может быть связан с неправильным выбором металла или сплава для данного вида применения, дефектами металла, ошибками в расчете конструкции или отклонениями рабочих условий от заданных при проектировании.

Основные виды разрушения

Вязкое разрушение. Разрушение пластичного материала наступает при его нагружении с превышением предела упругости. Металлический материал переходит в состояние пластической деформации (текучести), что приводит к т.н. вязкому разрушению. Разрушение такого рода могут вызывать чрезмерные напряжения растяжения, сжатия и сдвига. Хрупкое разрушение. Хрупкому разрушению подвержены конструкции из металлических материалов с ограниченной пластичностью вследствие быстрого распространения в них трещин. Возникают же трещины обычно в локальных зонах высокой концентрации напряжений. Во избежание отказов такого рода необходимо использовать достаточно пластичные металлические материалы и проектировать конструкции так, чтобы в них не было зон концентрации напряжений.
У сталей имеется т.н. температура перехода, ниже которой они теряют пластичность и становятся подвержены хрупкому разрушению. Температуру перехода необходимо учитывать при проектировании стальных конструкций, которые могут эксплуатироваться в условиях пониженной температуры. Одним из разительных примеров хрупкого разрушения, вызванного низкой температурой окружающей среды, было раскалывание надвое сварных корпусов морских судов в плавании через Северную Атлантику во время Второй мировой войны. В клепаных корпусах трещина не выходит за пределы того листа, где она возникла; в сварных же распространяется по всей конструкции.

Усталостное разрушение. Разрушение, часто с наработкой, измеряемой месяцами и даже годами, может вызвать многократно повторяющееся нагружение конструкции напряжением, лежащим значительно ниже предела прочности материала. Разрушение такого типа называется усталостным. Усталостные трещины часто зарождаются на малых дефектах структуры металла, таких, как инородные включения; их обычно можно выявить методами рентгеновского или ультразвукового контроля, прежде чем они приобретут опасные размеры.

Особые виды разрушения

Ползучесть. Такое постепенно накапливаемое повреждение, заканчивающееся разрушением, может быть вызвано пластическим течением при повышенной температуре в условиях напряжения, далеко не достигающего предела текучести. Течение материала, напряженного при повышенной температуре, называется ползучестью.
Коррозионное растрескивание. После холодной обработки металлических материалов в них могут сохраниться остаточные внутренние напряжения, близкие к пределу прочности. Многие металлы в таких условиях разрушаются при воздействии на них тех или иных корродирующих агентов. В результате локализованного коррозийного разъедания возникают поверхностные желобки, которые могут развиваться в трещины, распространяющиеся по границам зерен (межкристаллитная коррозия).