Работа и расчет элементов металлических конструкций с учётом концентрации напряжений

Работа и расчет элементов металлических конструкций с учётом концентрации напряжений

Цель работы: ознакомить студентов с влиянием концентраторов напряжений на прочность и «хладостойкость» металлических конструкций.

Под концентрацией напряжений подразумевается явление возникновения местных напряжений в зонах резкого изменения сечений элементов, вблизи отверстия, выточек, надрезов, в местах расположения дефектов сварки, таких как непровар, подрезы и т. д. Причина, вызвавшая концентрацию напряжений, называется концентратором.

Степень концентрации напряжений определяется при упругом деформировании теоретическим коэффициентом концентрации напряжений, равным отношению максимальных напряжений, вызванных концентрацией к касательным напряжениям.

Рис. 1. Образцы для испытания на растяжение.

Испытание образцов проводим с помощью разрывной машины ИР 5145−500−10 Ивановского ОAO «Точприбор».

Коэффициент концентрации напряжений зависит от радиуса кривизны ® надреза. Чем меньше радиус надреза, тем выше коэффициент. Так, у крупных отверстий у острых надрезов может достигать 6…9. Теоретически при (надрез типа трещины) и при идеально упругом материале коэффициент концентрации стремиться к бесконечности. Площадь нетто всех образцов одинакова и равна. Номинальные напряжения, равные отношению растягивающей силы к площади нетто, одинаковы для всех образцов.

Разрывное усилие Р1 имеет минимальное значение, а удлинение величину по сравнению с другими типами образцов.

Для оценки степени влияния концентраторов определяют эффективные коэффициенты концентрации, равные отношению усилия разрыва образца с концентратором к разрывному усилию образца без концентратора.

Эффективные образцы можно получить так:

Из рассмотренного выше можно сделать выводы:

элементы конструкций из малоуглеродистых сталей при наличии концентраторов могут разрушаться хрупко, т. е. при увеличенных нагрузках, но при малых удлинениях;

в зоне концентраторов линейное напряжённое состояние переходит в плоское, при котором снижается величина max касательных напряжений, являющихся причиной пластических сдвигов, а разрушение происходит частично от сдвигов, а частично от отрыва при малых деформациях;

величина эффективных коэффициентов напряжений и снижение пластических деформаций тем больше, чем острее концентратор.

Работа элементов с концентраторами при многократных нагрузках.

Под сопротивлением усталости элементов конструкции понимается их способность не разрушаться под действием переменных нагрузок в течении заданного времени нагружения.

Рис. 2. Схема циклического нагружения

Интенсивность нагружения при испытаниях на сопротивление усталости характеризуется напряжениями:

Рис. 2. Схема разрушения образцов

Коэффициент ассиметрии циклов нагружения называется сравнение.

Максимальное напряжение, при котором ещё прояисходит усталостное разрушение до базы испытания N=107 циклов для сталей и N=2*107 циклов для цветных металлов называется пределом выносливости.

Факторы, влияющие на характеристики сопротивления усталостному разрушению: металлический хладостойкий усталостный цикл.

I группа:

факторы, связанные со структурой материала и технологией изготовления образцов деталей;

II группа:

конструктивные факторы, т. е. факторы связанные с геометрией и размерами образца и детали. Наиболее существенными являются эффект масштаба и концентрации напряжения;

III группа:

эксплуатационные факторы, т. е. факторы, проявляющиеся в процессе эксплуатации тех или иных конструкций. К ним могут быть отнесены ассиметрия цикла нагружения, вид напряжённого состояния, режим и частота нагружения, температура, коррозионная среда и т. д.

Работа и расчёт элементов с концентрациями при низких температурах.

При низких температурах возможно хрупкое разрушение элементов металлических конструкций и особенно при ударных и многократных нагрузках. На сопротивление хрупким разрушениям влияет целый ряд факторов, таких как наличие в стали фарфора, водорода и других загр. примесей, структура стали, толщина проката. Особую роль как при работе на циклические нагружения имеют концентраторы напряжений.

Задача 1.

Вычислить напряжения предела выносливости элементов группы № 4, при расчётном количестве циклов. Материал — листовая сталь С=375, толщина t=20мм.

Определяем нормативные и расчётные сопротивления стали:

Расчётное сопротивление усталости: ,.

=-0,7 — коэффициент асимметрии цикла Задача 2.

Материал конструкции сталь класса С-375, толщиной t=20мм, климатический район II2, концентратор № 4 по табл. таблице 83* [1].

Расчётное сопротивление по временному сопротивлению:

Так как (табл. 51* [1]) =1.3- коэффициент надёжности, то:

Вывод: Расчетное сопротивление, следовательно расчет нужно вести без учета хрупкого разрушения.