ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ДЕТАЛЕЙ МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ НА ПРОЧНОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

Методы расчета зависят от характера изменения нагрузок во времени и могут быть разделены на три группы: при однократном, малоцикловом и многоцикловом нагружениях.

Расчеты на прочность при однократном нагружении основываются на ис - гользовании силовых, энергетических и деформационных критериев вязко­го, квазихрупкого и хрупкого разрушений [4—6J. При этом учитывается существенное перераспределение напряжений и деформаций при упруго­пластическом состоянии, исходные механические свойства материала, осо­бенности напряженно-деформированного состояния в зонах трещин в ли­нейной и нелинейной постановке, характер диаграмм разрушения, связы­вающих размеры трещин с нагрузками.

В Институте машиноведения АН СССР [4-8] и других организациях раз­работаны деформационные критерии разрушения, т. е. по предельным нагрузкам, местным упруго пластическим деформациям, коэффициентам интенсивности напряжений и деформаций, по размерам дефектов типа трещин.

Основой расчета на прочность при однократном нагружении деталей с трещинами для небольших уровней предельных номинальных напряжений (0,3— 0,6 от предела текучести) является линейная механика разрушения, в которой используются коэффициенты интенсивности напряжений и их критические значения.

Во многих деталях, однако, уровень предельных номинальных напряже­ний в зонах трещин достигает или превышает предел текучести, а размеры пластических зон превышают размеры трещин, которые оказываются в пластически деформированных зонах деталей. Применительно к таким деталям использование методов линейной механики разрушения становится нео боснов анным.

В этих случаях определяется поле упругопластических деформаций и используются коэффициенты интенсивности деформаций [5]. Деформа­ционные критерии и параметры нелинейной механики разрушения пола­гаются в основу расчетов на прочность на стадии проектирования. В норма­тивных документах [7, 8] описаны методы определения характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) при статическом и динамиче­ском нагружении.

Расчеты на прочность при малоцикловом нагружении осуществляются на основе кривых малоциклового разрушения в деформациях (или услов­ных упругих напряжениях) с учетом механических свойств материалов (прочности, пластичности, степени упрочнения в неупругой области при однократном и циклическом нагружении) и асимметрии цикла [4, 6,9].

В уточненных расчетах определяется кинетика напряженно-деформиро­ванного состояния по числу циклов с использованием обобщенных диа­

грамм циклического деформирования. При нерегулярном нагружении ис­пользуется деформационно-кинетический критерий накопления усталост­ных и квазистатических повреждений [6, 9], позволяющий выполнить расчеты на долговечность при малоцикловом нагружении.

Разработка и совершенствование методов испытаний на термическую (термомеханическую) малоцикловую усталость металлов и жаропрочных сплавов имеет существенное значение при получении базовых расчетных характеристик деформирования и разрушения материалов и является осно­вой для: оценки несущей способности элементов теплонапряженных и высоконагруженных конструкций; обоснования выбора материала конст­рукций, работающих при термомеханическом и термоусталостном нагру­жениях; прогнозирования долговечности конструкций; оценки роли тех­нологических факторов (литья, покрытия и т. п.).

Разработанный Институтом машиноведения метод проведения испыта­ний при термомеханическом и термоусталостном нагружениях [9], а также достижения в указанной области ведущих НИИ и промышленных организа­ций нашли отражение в методических рекомендациях [10, 11]. Указанные нормативно-технические документы охватывают весь комплекс вопросов, связанных с проведением испытания при термомеханическом и термо­усталостном нагружении.

При многоцикловом переменном нагружении рассматривают стадию до образования первой макроскопической трещины усталости длиной 0,2—0,5 мм и стадию развития трещины от ее появления до окончательного разрушения [6,12].

Методы расчета усталостной долговечности по параметру вероятности разрушения до образования трещины основываются на оценке статистиче­ских характеристик сопротивления усталости и переменной эксплуатацион­ной нагруженное™, на применении гипотез накопления усталостных по­вреждений и оценке вероятности разрушения до достижения заданной долговечности [4,12, 13,15].

В качестве статистических характеристик сопротивления усталости деталей при регулярном нагружении используют среднее значение предела выносливости детали при симметричном цикле ст_хя (выраженного в но­минальных напряжениях), коэффициент вариации этой величины и„ и параметры кривой усталости: абсциссу точки перелома кривой усталости Л'с и параметр угла наклона левой ветви т. В тех случаях, когда требуется повышенная точность оценок надежности и долговечности, используют полные вероятностные диаграммы усталости [4, 6, 12], характеризующие связь между' амплитудой напряжений оа, числом циклов до появления трещины N и вероятностью разрушения Р, %.

Оценка величин а.. ] д и v а_ 1д для натурных деталей посредством пря­мых усталостных испытаний весьма затруднена и во многих случаях прак­тически невозможна. В связи с этим актуальное значение приобретает разработка расчетных методов оценки характеристик сопротивления уста­лости.

Для оценки статистических характеристик сопротивления усталости деталей, в частности средних значений и коэффициентов вариации пределов выносливости, в Институте машиноведения АН СССР [12] разработана ста­тистическая теория подобия усталостного разрушения, положенная в осно­ву ГОСТ 25.504-82, посвященного оценке характеристик сопротивления усталости и согласованного с ним стандарта ГДР — TGL 19340.

Опыт промышленного применения методов статистической оценки ха­рактеристик сопротивления усталости, теоретические и экспериментальные исследования позволили распространить указанные методы на случаи расчета характеристик сопротивления усталости деталей сложной формы поперечного сечения с предельно острыми надрезами для чисел циклов в диапазоне 105 —107 на детали машин, изготовленные из легких сплавов.

Из указанной теории вытекает следующее уравнение подобия усталост­ного разрушения, описывающее семейство функций распределения преде­лов выносливости деталей различных форм и размеров при разных видах нагружения:

lg(£ - 1) = - vag в +UqS, где

_ <7-1даа q _ LjG _ 1 L

' 0,5o_і ’ ~ (I/G)о " 883 IP

aa — теоретический коэффициент концентрации напряжений; а, — предел выносливости гладкого лабораторного образца диаметром d0 = 7 $ мм; в - относительный критерий подобия усталостного разрушения, имеющий следующий смысл: если модель и деталь имеют различную форму, размеры и вид нагружения, но одинаковые значения 9, то их функции распределения пределов выносливости совпадают; G — относительный градиент первого главного напряжения в зоне концентрации; L — периметр или часть пери­метра рабочего сечения детали, прилегающая к зоне повышенных напряже­ний; ир — квантиль нормального распределения, соответствующий вероят­ности разрушения Р%; S — среднее квадратичное отклонение случайной величины lg (| — 1); i'a — параметр, зависящий от свойств материала.

Уравнение подобия подтверждено многочисленными испытаниями в ряде лабораторий [4, 6, 12, 14] и положено в основу создания новой системы справочной информации, вошедшей в ГОСТ 25.504-82, справочник [6], в отраслевые нормативные документы.

Статистические характеристики эксплуатационной нагруженности, необ­ходимые для расчета на выносливость, получаются на основе обработки результатов тензометрирования. Рядом организаций (НАТИ, ИМАШ АН СССР, ВНИИНМАШ, ИМЕХ АН УССР, МАИ, ЗИЛ, ВИСХОМ) разработан ГОСТ 25.101-83, согласованный со стандартом ГДР, в котором изложены методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и статистического представления результатов. Использование данных мето­дов позволяет получить необходимую для расчетов статистическую инфор­мацию о нагруженности.

Анализ многочисленных экспериментальных данных по накоплению усталостных повреждений при нерегулярных режимах нагружения, опубли­кованных в мировой литературе, позволил показать [4, 6, 12], что извест­ная линейная гипотеза накопления повреждений приводит в среднем к двух-пятикратному завышению расчетной долговечности по сравнению с экспериментальной (т. е. не в запас долговечности). На основе этого анали­за в Институте машиноведения была разработана корректированная линей­ная гипотеза суммирования повреждений [4, 6, 12]. Эта гипотеза положена в основу вероятностных методов расчета на выносливость.

Объективной характеристикой надежности и долговечности элементов машин является функция распределения долговечности, характеризующая зависимость между вероятностью разрушения и наработкой в условиях эксплуатации. Знание этой функции необходимо для решения ряда практи­ческих задач: установления медианного и процентного ресурса, сроков между капитальными ремонтами, объема выпуска запасных частей и т. д.

Наиболее перспективным путем оценки функции распределения ресурса является оценка надежности и долговечности детали посредством расчет­ных и расчетно-экспериментальных методов на стадии проектирования и доводки опытного экземпляра машины. В Институте машиноведения АН СССР [4, 6, 12] разработаны вероятностные методы расчета надежнос­ти и долговечности, нашедшие применение в машиностроении и отраженные в учебной литературе, справочниках и методических указаниях [15].

Обобщение опыта применения вероятностных методов расчета показало их эффективность и перспективность. Применение вероятностных методов на основе использования экспериментальных и расчетных данных о на­грузках и прочности деталей машин позволяет выявить оптимальные конструктивно-технологические решения, способствующие повышению надежности и долговечности деталей машин с одновременным снижением их металлоемкости.

Расширение сферы использования вероятностных методов расчета при­вело к разработке ряда стандартов и методических указаний, регламенти­рующих расчеты и испытания на отдельных этапах оценки надежности и долговечности деталей машин.

Разработаны стандарты: по терминам и определениям — ГОСТ 23.207-78, по методам усталостных испытаний — ГОСТ 25.502.79, по методам опреде­ления расчетных характеристик сопротивления усталости — ГОСТ 25.504-82, по методам схематизации случайных процессов нагружения и статистиче­ского представления результатов — ГОСТ 25.101-83. В стадии разработки находятся проекты стандартов по методам формирования режимов стендо­вых испытаний и вероятностным методам оценки надежности и долговеч­ности деталей машин.

Все указанные стандарты, действующие и разрабатываемые, согласованы с соответствующими стандартами ГДР. В разработке стандартов принимали активное участие специалисты организаций многих отраслей машинострое­ния и вузов: ВНИИНМАШ, НАТИ, ВИСХОМ, ВНИИстройдормаш, ЗИЛ, МАИ, МАТИ и др. Это обеспечивает их высокий научно-технический уро­вень и эффективность использования в промышленности.