Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ЭРГОДИНАМИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ ПРОЧНОСТИ

Ромашов Р.В.

В работе приводятся результаты применения методов прогнозирования усталостной долговечности на примерах типовых высоконагруженных элементов конструкций. В качестве теоретической основы использована эргодинамическая (от греч. ergon – работа, энергия) концепция прочности, согласно которой за критерий разрушения принимается критическая (предельная) величина плотности

внутренней энергии u*, что в свое время автором было экспериментально подтверждено для случая усталостных испытаний стальных образцов.

В качестве одного из объектов исследований была выбрана ось переднего управляемого моста грузового автомобиля ЗИЛ. Условия его эксплуатации содержат весь спектр режимов перевозки грузов, поэтому методический подход и результаты исследований могут быть использованы применительно к другим типам мобильных машин с учетом их особенностей. Передний управляемый мост определяет безопасность движения, поэтому представляет особый интерес при оценке сопротивления усталости.

Проведены исследования динамической нагруженности оси переднего моста при различных режимах движения автомобиля с использованием системы АПМ (Автоматизированное проектирование машин) WinMachine, разработанной в НТЦ АПМ – г. Королев [1 ]. Расчеты проводились с помощью программы WinShaft -модуля расчета валов и осей и WinBeam – модуля расчета балочных конструкций. Расчеты показали, что разрушение может произойти от кратковременно действующих динамических нагрузок, превышающих предел выносливости, при заносе, экстренном торможении и др.

Продолжительность первого периода усталости (до зарождения трещины) можно определить по формуле, полученной решением кинетического уравнения повреждаемости относительно времени до разрушения [2]:

       (1)

где σ-амплитуда напряжений; -температура; -энергия активации; u0-начальная (до деформирования) плотность внутренней энергии; -постоянная Планка; N-число Авогадро; -универсальная газовая постоянная.

Однако, при использовании формулы (1) требуется знать энергию активации и ее зависимости от напряжений и температуры. Более удобной является расчетная формула относительного вида, полученная на основе эргодинамического подхода к проблеме и позволяющая определять усталостную долговечность (число циклов N*) детали, если известна долговечность Nэт эталонной (при том же напряженном состоянии):

 (2)

где -модуль сдвига; -модуль Юнга; µ - коэффициент Пуассона; σΣ-шаровая часть тензора суммарных напряжений; S0* -истинное сопротивление материала сдвигу (пластической деформации).

В качестве эталонной берется деталь, изготовленная из того же материала, что и рассматриваемая деталь, и принятая за базовую: например, после полирования – при этом отсутствуют наклеп и остаточные напряжения.

Период живучести, т.е. роста усталостной трещины, можно рассчитывать по формулам, полученным интегрированием известной эмпирической зависимости Пэриса (для скорости роста трещин) либо зависимости Яремы С.Я., описывающей кинетическую диаграмму роста трещины с помощью дробно-степенной функции. Кроме того, на основе эргодинамического подхода к рассматриваемой проблеме в данной работе получена формула, аналогичная зависимости Пэриса, но являющаяся не эмпирической, а физически обоснованной.

С целью выбора рациональных технологий, обеспечивающих увеличение эксплуатационного ресурса осей мостов, были подготовлены образцы из стали 40Х для испытаний на усталость и для определения остаточных напряжений, изготовленные по различным технологиям (всего 9 вариантов технологий). Выполнены усталостные испытания и расчеты по вышеуказанным формулам, анализ которых позволил рекомендовать некоторые режимы механической обработки и деформационного упрочнения в качестве оптимальных (из рассмотренных режимов) с точки зрения обеспечения наибольшей усталостной долговечности.

Выполнены также исследования выносливости материалов и некоторых деталей шасси самолетов. Известно [ 3 ], что система шасси является одной из самых повреждаемых среди основных самолетных систем. В указанной работе Бойцова Б.В. установлено, что «для создания высокоресурсных конструкций надо предъявлять повышенные требования к формированию комплекса окончательных технологических процессов – шлифование, полирование, гальванические или диффузионные покрытия, обработка поверхности пластическим деформированием». В связи с этим в данной работе проведены исследования влияния на долговечность технологических процессов финишной и упрочняющей обработки типовых деталей шасси. Из стали 30ХГСНА (после закалки и низкого отпуска) были изготовлены усталостные образцы и образцы для определения остаточных напряжений. В качестве финишной операции обработки принято чистовое точение с различными режимами, в качестве упрочняющей – пневмодинамическое упрочнение шариками, при различной длительности (всего исследовано 12 вариантов). Проведены усталостные испытания образцов при изгибе с вращением и расчеты усталостной долговечности по вышеуказанным формулам. Опытные и расчетные значения долговечности оказались близкими между собой: максимальная относительная погрешность составила ± 10 %. Рекомендован оптимальный (из рассмотренных) режим технологической обработки с точки зрения обеспечения наибольшей усталостной долговечности и экономической эффективности (меньшее число операций).

Расчет долговечности деталей шасси проводят методом, основанном на использовании базовых кривых усталости типовых элементов или базовых образцов с концентратором напряжений. Расчет выполняется по номинальным напряжениям с учетом коэффициентов концентрации напряжений. На основе эргодинамического подхода к проблеме предложена модификация метода, дающая возможность учесть влияние свойств поверхностного слоя. Для сопоставления методов выбрана деталь – ось передней стойки шасси. Были взяты данные по переменным нагрузкам, воздействующим на деталь, технологии изготовления детали, и определены свойства поверхностного слоя после технологической обработки. Использованы данные по блокам нагружения для каждого опасного сечения детали. Использованы кривые усталости для базовых образцов из стали 30ХГСНА

(изгиб, коэффициент асимметрии цикла R=0, коэффициент концентрации напряжений ασ 2,6). Результаты расчетов усталостной долговечности показали, что благодаря учету структуры и напряженного состояния, получающихся при различных операциях технологической обработки, возможно более точное определение усталостных свойств опасных сечений и детали в целом без проведения усталостных испытаний.

Выполнен анализ причин разрушения деталей шасси типа раскос трубчатой формы, в которых усталостная трещина зарождалась на внутренней поверхности деталей. Определены группы параметров – физико-механические, напряженно го состояния (пульсирующий цикл) и структуры (качества поверхностного слоя). К последним относятся твердость HV (микротвердость), технологические остаточные напряжения, определенные по глубине поверхностного слоя, и шероховатость поверхности. На основе этих данных определены распределения усталостной долговечности по глубине поверхностного слоя, при этом расчеты выполнялись по формуле (2) относительного вида: в результате получено распределение относительной усталостной долговечности  ( Nдетали меньше Nэт эталона, то-есть η<1) при различных значениях х -расстояния от наружной поверхности детали. С увеличением этого расстояния твердость и остаточные напряжения сжатия уменьшаются, вместе с тем плавно понижается и относительная усталостная долговечность η. Значения η резко уменьшаются при х>5 мм, достигая значения η<0,75 .

Из анализа распределения η следует, что разрушение детали начнется с внутренней поверхности, поскольку там имеется достаточно протяженный пониженный уровень усталостной долговечности. При этом для роста трещины нет препятствий в виде фронта повышенной долговечности η (как на наружной поверхности), обусловленного структурным или деформационным упрочнением и остаточными напряжениями. В связи с этим для исключения разрушения указанных деталей от усталости необходимо технологическими методами создать фронт повышенной усталостной долговечности, примыкающий к внутренней поверхности детали трубчатой формы. Этого можно добиться применением упрочняющих методов обработки – например, виброупрочнением, пневмодинамическим упрочнением и д.р.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Шелофаст В.В. Основы проектирования машин: примеры решения задач.– М.: Изд-во АПМ, 2004 . – 240 с.
  2. Щипачев А.М., Ромашов Р.В., Барышов С.Н. Определение усталостной долговечности с учетом структурных параметров материала и качества поверхностного слоя. // Сб. научных трудов «Динамика и прочность материалов и конструкций»-Орск: ОГУ, 2001. – Выпуск 4, с. 32 – 35.
  3. Бойцов Б.В. Прогнозирование долговечности напряженных конструкций. Комплексное исследование шасси самолета.– М.: Машиностроение, 1985. – 231 с.

Библиографическая ссылка

Ромашов Р.В. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ЭРГОДИНАМИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ ПРОЧНОСТИ // Фундаментальные исследования. – 2009. – № 5. – С. 63-65;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=1767 (дата обращения: 25.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074