Презентация на тему: MSC.Patran PAT 318 2002 - 16
МЕТОД КРИВЫХ УСТАЛОСТИ ВЕЛЛЕРА (МЕТОД S-N КРИВЫХ) Метод S-N кривых используется для оценки суммарной долговечности без разделения на стадии зарождения и роста трещины Обычно испытывают отдельные части, детали конструкций для того, чтобы учесть вляние геометрии (построенные кривые называются «структурные» S-N кривые - structure S-N curves) По результатам испытаний гладких образцов строятся S-N кривые материала; они последовательно преобразуются, чтобы учесть влияние концентраторов, условия обработки поверхности и т.д.
НЕКОТОРЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
S-N АНАЛИЗ Оперирует понятием «циклы напряжений» Метод известен как «многоцикловая усталость» или «метод номинальных напряжений» Циклы номинальных напряжений должны дейтсвовать в линейной области (отсюда «много циклов»), хотя локальные напряжения в зонах концентраций могут оставаться пластичными В MSC.Fatigue SN анализ и линейный статический КЭ анализ используются напрямую без пластической коррекции
МЕТОД S-N КРИВЫХ Метод S-N кривых использует (предполагая упругие) номинальные напряжения (S) в качестве меры соответсвия истинному усталостному нагружению В эксперименте фиксируется колическтво циклов до разрушения S-N кривую строят на основе испытаний образцов на нескольких уровнях напряжений Подобные кривые строятся по результатам испытаний гладких образцов, отдельных деталей, отдельных сборок или даже целой конструкции
МЕТОД S-N КРИВЫХ Использование метода S-N кривых предполагает: Выяснение корректной усталостной кривой для анализа Определение усталостной прочности для заданной долговечности Выявление влияния на долговечность различных факторов, таких как состояние поверхности, внешние условия и т.д. Определение, допустимо ли использование выбранного материала в производстве Ответы на вопросы, которые возникнут вследствие усталостных разрушений конструкции при эксплуатации
S-N КРИВЫЕ
S-N КРИВЫЕ При испытаниях сталей на усталость (при постоянной амплитуде нагружения) было выявлено наличие предела выносливости – некотрого уровня напряжений, ниже которого не происходит усталостного разрушения при любом количестве циклов нагружения Наличие предела выносливости можно объяснить трудностями прохождения трещины через границы первых зерен металла, либо наличием микроскопических барьеров на пути роста трещины. Со временем предел выносливости может уменьшиться под возлействием растущих нагузок, внешней коррозии и т.д. Аллюминиевые сплавы не имеют предела выносливости (для них используется понятие предела ограниченной выносливости)
S-N КРИВЫЕ МАТЕРИАЛА
РАССЕИВАНИЕ ЗНАЧЕНИЙ S-N КРИВЫХ
S-N КРИВЫЕ ДЛЯ КОМПОЕНТЫ (ДЕТАЛИ, СБОРКИ, КОСТРУКЦИИ...) Для некоторых элементов конструкции, особенно соединений, например сварных, существует очень много факторов, влияющих на свойства основного материала. Их необходимо учитывать при испольлзовании S-N кривой данного материала. В подобных случаях лучше использовать S-N кривую, которая была построена по результатм усталостных испытаний компоненты конструкции - S-N кривая компоненты
S-N КРИВАЯ КОМПОНЕНТЫ СТРОИТСЯ ПО НОМИНАЛЬНЫМ (УДАЛЕННЫМ) НАПРЯЖЕНИЯМ
S-N МЕТОД - ПОДОБИЕ
S-N МЕТОД - ПОДОБИЕ В рамках S-N метода предполагается, что долговечность детали или конструкции равна долговечности испытанного в лаборотории образца, если в обоих случаях действуют одинаковые номинальные напряжения Если условия испытания образцов не соответсвуют условиям работы изделия, то принцип подобия не работает и необходимо скорректировать некотроые факторы, такие как среднее напряжение цикла, условия окружающей среды, обработка поверхности и т.д.
Правило Майнера – Блочное нагружение
ПОДСЧЕТ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПО МАЙНЕРУ
ПРАВИЛО ЛИНЕЙНОГО СУММИРОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ (ПРАВИЛО ПАЛМГРЕНА-МАЙНЕРА)
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ТЕОРИИ ЛИНЕЙНОГО СУММИРОВАНИЯ
НЕЛИНЕЙНАЯ ТЕОРИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ
ЧТО ЯВЛЯЕТСЯ ПРИЧИНОЙ ПОЯВЛЕНИЯ И РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН?
МЕТОД ПАДАЮЩЕГО ДОЖДЯ
СХЕМАТИЗАЦИЯ ЦИКЛА НАГРУЖЕНИЯ МЕТОДОМ ПАДАЮЩЕГО ДОЖДЯ Идея метода зародилась независимо у Матсуиши и Эндо по аналогии с падающим дождем с крыши пагоды. Основные правила: капли дождя стекают вниз на каждом повороте и продолжают свое движение только в случае либо: Если поток сверху прерывает движение капли или Если капля достигает поворот (пик), который больше предыдущего Очень хороший способ графического представления результатов работы алгоритма падающего дождя – это гистограмма Rainflow Cycle Count Matrix
МАТРИЦА ПОДСЧИТАННЫХ ЦИКЛОВ
Материалы в условиях циклического нагружения обнаруживают «эффект памяти» (они «помнят» наибольшие достигнутые в процессе нагружения уровни напряжения и деформаций) Материалы в условиях циклического нагружения обнаруживают «эффект памяти» (они «помнят» наибольшие достигнутые в процессе нагружения уровни напряжения и деформаций) Кривая деформирования материала в условиях циклического нагружения описывает петлю гистерезеса Метод дождя выявляет «закрытые» петли гитерезеса, образованные циклическим нагружением
ПОДСЧЕТ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПО МАЙНЕРУ
ПОСЛЕДЛОВАТЕЛЬНОСТЬ АНАЛИЗА – ОБЗОР
СРЕДНЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ ЦИКЛА
СРЕДНЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ ЦИКЛА Коэффициент асимметрии: R = min/ max Большинство испытаний образцов на усталость проводится для значений R = -1 (симметричный цикл) Если имеются циклы с другим значением R, то необходимо провести коррекцию уровня напряжений с тем, чтобы можно было сравнить циклы нагружения со стандартной S-N кривой, полученной рпи R=-1 Замечание: среднее напряжение сжатия не сильно влияет на усталость материала
КОРРЕКЦИИ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ЦИКЛА
КОРРЕКЦИИ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ЦИКЛА
КОРРЕКЦИИ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ЦИКЛА Чаще всего для коррекции уровня средних напряжений применяются методы Гудмана и Гербера (так называемые диаграммы Гудмана и Гербера) Результаты тестов находятся между кривыми Гудмана и Гербера, но метод Гудмана более надежный
КОРРЕКЦИИ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ЦИКЛА Метод Гудмана Метод Гербера
КОРРЕКЦИИ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ЦИКЛА
Другим фактором уменьшающим долговечность конструкции являютя всякого рода вырезы, т. е. концентраторы напряжений Другим фактором уменьшающим долговечность конструкции являютя всякого рода вырезы, т. е. концентраторы напряжений Обычно, если материал не обладает повышенной прочностью, предел выносливости детали уменьшается не так сильно, как можно было бы ожидать учитывая коэффициент концентрации Kt Различие между теоретическим коэффициентом концентрации Kt и эффективным Kf состоит в чувсвительности к действию концентраторов, котрая повышается с увеличением прочности материала
КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ Иногда бывает возможным расположить датчик деформаций рядом с критическим местом В этом случае на практике поступают так: монтирую датчики рядом с критическим местом, а для получения истинного критического напряжения используют коэффициент концентрации ‘ Kt’
ДВА СПОСОБА ПРИМЕНЕНИЯ Kt (SN АНАЛИЗ) Расчет новой истории умножением старой на Kt. Это простейший способ, но может занять много времени для умножения нагрузок, представленных большим числом файлов нагружения
На детали с большим ресурсом концентраторы влияют существенно больше, чем в случае с малыми сроками службы На детали с большим ресурсом концентраторы влияют существенно больше, чем в случае с малыми сроками службы Это часто учитывается введением специального коэффициента Kf’ для 1000 циклов нагружения
ВЛИЯНИЕ Kf
КРИВАЯ Kf’ - SU
ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ Усталостные трещины обычно начинают рост на поверхности детали. Следовательно, условия условия обработки поверхности существенно влияют на срок службы. Чем лучше обработана поверхность, тем дольше будут зарождаться трещины. Остаточноые напряжения сжатия у поверхности могут также благоприятно повлиять на долговечность. Эти напряжения будут сдерживать рост трещин в условиях нагружения с большой частотой (многоцикловая усталость). Для создания остаточных напряжений используют специальные виды обработки поверхности.
СВЯЗЬ С ПОВЕРХНОСТНЫМИ ЭФФЕКТАМИ
Влияние полировки поверхности хорошо прослеживается на предыдущем слайде. Влияние полировки поверхности хорошо прослеживается на предыдущем слайде. Коэффициент уменьшения прочности связан коэффициентом состояния поверхности и прочночтью стали. Иногда кривые для деталей с качественно обработанной поверхностью близки к кривым для деталей с качественной машинной обработкой. Эффект влияния шероховатости поверхности обычно учитывается при помощи коэффициента, понижающего предел усталости. В логарифмических координатах это выглядит так: наклон кривой усталости изменяется в соотетсвии с уменьшением предела усталости, при этом в области 1000 циклов кривая почти не изменяется.
ПОПРАВКА НА ОБРАБОТКУ ПОВЕРХНОСТИ
ЭФФЕКТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ СЖАТИЯ
КАК СОЗДАТЬ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ СЖАТИЕ? Дробеструйная обработка поверхности Под давлением струи металлических шариков создаются остаточные напряжения сжатия Холодная прокатка Поверхность детали обкатывается валками для создания остаточных напряжений сжатия Азотирование Производится нагрев детали в среде аммиака. Деталь расшряется и нитраты реагируют с металлом. После охлаждения деталь сжимается и приобретает упрочненный поверхностный слой.
S-N метод в MSC.Fatigue Особенности Упругие напряжени Применение метода дождя Коррекция среднего напряжения Сварные конструкции Параметры статистического доверия Линейное суммирование повреждений по Палмгрену-Майнеру Назначаемый пользователем ресурс Кривые усталости материала и детали Обработка поверхности Анализ коэффициентов запаса Индикаторы биаксиальности
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПАСА (f) ПО ГУДМАНУ = предел выносливости ; = предел прочности; Коэффициент, на который можно увеличить уровень действущих напряжений (среднее напряжение цикла) без разрушающих последствий.
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПАСА (f) ПО ГУДМАНУ
Пример: S-N анализ пластины с вырезом и отверстием
Информация о нагружении
ГРАФИК ПРОСТОГО НАГРУЖЕНИЯ
ВЫБОР СОЗДАННОГО НАГРУЖЕНИЯ
УСТАНОВКИ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ
Решите задачу Прочитайте результаты Отобразите цветом изополя долговечности
