Краткие теоретические сведения. Детали подвижного состава исследуются на усталостную прочность, если в процессе эксплуатации они подвергаются переменным воздействиям в виде множества циклов

Детали подвижного состава исследуются на усталостную прочность, если в процессе эксплуатации они подвергаются переменным воздействиям в виде множества циклов нагружения.

Основой исследования усталостной прочности могут быть результаты статического, нелинейного или динамического исследования. Количество циклов, требуемое для усталостного разрушения деталей подвижного состава зависит от материала и колебаний напряжения.

В справке по усталостной прочности SolidWorks установлены следующие термины и определения, приведенные в табл. 1.

Таблица 1

Термины и определения усталосной прочности используемые в SolidWorks

Информация для определенного материала обеспечивается кривой, называемой SN кривая. SN кривая материала определяет значения знакопеременного напряжения относительно количества циклов, требуемых, чтобы вызвать разрушения при данном коэффициенте напряжения. Кривая SN основана либо на коэффициенте напряжения, либо на среднем напряжении. Можно определить несколько кривых SN с различными коэффициентами напряжения материала. Программное обеспечение использует линейную интерполяцию для извлечения данных, когда установлено несколько кривых SN для материала.

Можно определить кривые SN следующим образом. В диалоговом окне «Материал» на вкладке Кривые усталости SN или путем нажатия правой кнопкой мыши на значок документа и выбора параметра «Определить кривые функций». Для некоторых материалов из библиотеки SolidWorks SN имеют уже определенные SN кривые. Настоящие материалы обозначены буквами (SN) в конце названия, в окне списка. Материалы с кривыми зависимости деформации от напряжения обозначены (SS), а материалы с кривыми SN и кривыми зависимости деформации от напряжения обозначены (SS,SN).

Для определения известной кривой SN материала нужно в диалоговом окне «Материал», вкладки «Кривые усталости SN», в окне «Источник» выполнить следующие действия:

1. Устанавливается схема интерполирования знакопеременных напряжений в зависимости от количества циклов SN кривой в параметре «Интерполировать».

2. Нажмите «Производная от модулей упругости материалов» и выберите «На основе ASME Кривые аустенитной стали» или «На основе ASME Кривые углеродистой стали».

3. Нажмите «Применить» .

Теория накопленного повреждения предполагает, что цикл напряжений со знакопеременным напряжением выше предела усталости, определяемого измеряемым неустраняемым повреждением. Также предполагается, что полное разрушение, вызванное множеством циклов напряжения, равно сумме повреждений, вызванных отдельными циклами напряжений.

Если предположим, что S–N кривая указывает, что требуется N циклов знакопеременного напряжения S, чтобы вызвать усталостное разрушение, то теория гласит, что каждый цикл вызывает степень повреждения D₁, потребляющую 1/N долговечности конструкции. Если же конструкция подвергнута воздействию n циклов знакопеременного напряжения S, то общая степень повреждения D_n подсчитывается как D = n/N.

Настоящее правило называется правилом линейного повреждения или правилом Майнера. Степень повреждения, также называемая коэффициент использования, представляет собой отношение израсходованной долговечности конструкции. Степень повреждения 0,35 означает, что израсходовано 35 % ресурса конструкции. Разрушение от усталости происходит при степени повреждения 1,0.

Программное обеспечение обрабатывает два различных типа событий усталости материалов: постоянной амплитуды и переменной амплитуды. Для исследования можно определить несколько событий усталости, но они должны быть одного типа.

Все циклы событий постоянной амплитуды имеют одинаковые знакопеременные и средние напряжения. Событие усталости материалов постоянной амплитуды полностью определено знакопеременным напряжением, средним напряжением:

S_{среднее} = (S_макс. +S_мин.)/2 (1)

или коэффициентом напряжения:

R = S_мин/S_макс (2)

где S_мин является минимальным напряжением в цикле напряжений, а S_макс является максимальным напряжением и количеством циклов. На рис. 1 показаны варианты событий постоянной амплитуды.

а) б) в)

Рис. 1 Варианты событий усталости постоянной амплитуды:

а– R = -1, S_{среднее} = 0; б– R = 0, S_{среднее} = 0,5×S_макс; в– R = inf, S_{среднее} = inf

Событие переменной амплитуды усталости материалов является записью хронологии нагрузок, которая определяется хронологией колебаний нагрузки. Значения времени не играют какой-либо роли для исследований усталости с одним событием переменной амплитуды. В этом случае достаточно определить последовательность амплитуд.

Инструмент «Добавить событие (константа)» позволяет определять событие постоянной амплитуды для исследования на усталость. Можно определить несколько постоянных событий для одного исследования на усталость. Событие усталости может ссылаться на одно или несколько статических исследований или на определенный шаг решения нелинейного или динамического линейного исследования модальной временной диаграммы.

Чтобы определить событие усталости на основе нескольких справочных исследований:

–установите значение «Количество циклов» с помощью инструмента ;

–установите значение параметра «Тип нагрузки» на «Поиск пиков цикла» с помощью инструмента ;

–в окне «Исследование» выберите статическое, нелинейное или динамическое исследование в первой строке и введите коэффициент масштабирования. Программа умножает результирующие напряжения справочного исследования на этот коэффициент для вычисления значений знакопеременных напряжений;

–вставьте новую строку двойным щелчком по столбцу «Нет», выберите исследование и введите коэффициент масштабирования;

–нажмите «Применить» .

Инструмент «Добавить событие (Переменное)» позволяет определять событие переменной амплитуды для исследования на усталость. Можно определить несколько событий усталости материалов для одного исследования на усталость. Событие усталости переменной амплитуды может ссылаться на одно или несколько статических исследований или на определенный шаг решения нелинейного или динамического линейного исследования модальной временной диаграммы.