Как убрать концентраторы напряжений

Способы снижения влияния концентраторов напряжений на усталостную прочность валов и осей

В нашей работе мы часто сталкиваемся явлением, поломки тех или иных деталей оборудования. По виду разрушения эти поломки часто имеют усталостный характер, как раз на участках концентрации напряжений.

Что такое концентрация напряжений

Концентрацией напряжений называют резкое возрастание напряжений в местах резкого изменения формы тела (в районе внутренних углов, выточек, отверстий, канавок и т.д.). В местах концентрации напряжений несправедлива гипотеза плоских сечений и формулы сопротивления материалов неприменимы.

Напряжения вблизи концентраторов напряжений определяются методами теории упругости или экспериментально (методы фотоупругости, голографической интерферометрии, тензометрии, муаровых полос и др.). Для оценки степени концентрации напряжений вводится теоретический коэффициент концентрации напряжений. Эффективный коэффициент концентрации напряжений k, является критерием чувствительности материала к концентрации напряжений и равен отношению предела прочности гладкого образца вк условному пределу прочности надрезанного образца σ _в надр . Условный предел прочности надрезанного образца равен отношению предельной нагрузки, выдерживаемой образцом с надрезом, к площади наименьшего сечения образца.

Ярко выражены усталостные повреждения в цилиндрических деталях по типу валов. На рис. 1 приведен пример вала, с усталостной поломкой которого (рис. 2) пришлось столкнуться на практике нашему коллективу.

Рисунок 1 – Вал-шестерня в составе валковой машины Рисунок 2 – Общий вид поломки вала

Как видно, на рис. 2 поломка имеет явные признаки усталостного разрушения детали. Об этом свидетельствует характер излома, а также это косвенно подтверждается наличием значительного износа рабочих поверхностей зубчатой шестерни. Кроме того, в процессе эксплуатации происходили кратковременные перегрузки линии привода, которые не приводили к аварийным ситуациям благодаря наличию клиноременной передачи и защиты по току электродвигателя. Тем не менее, наличие даже кратковременных перегрузок способствовало развитию усталостных процессов в данном валу. Но одним из важных моментов, который оказал существенное влияние на усталостное разрушение вала, являлось наличие концентраторов напряжений на участках перехода — галтели были очень малы, а перепад диаметра от основного тела вала к шестерне значительный.

Данный практический эпизод дал нам повод для обновления в памяти знаний о концентраторах напряжений, что в дальнейшем привело нас к разработке ряда технических решений по деталям оборудования, которым занимается наш коллектив. Разработанные решения касались изменения профиля некоторых валов с целью снижения концентрации напряжений на участках перехода.

Далее приведем краткую информацию, которой мы руководствовались при поиске рациональных конструктивных решений, а также ту, которая может быть полезна нашим читателям.

И как всегда, по традиции, просим делится Вашим мнением и знаниями, ведь мы работая в небольшом коллективе, сталкиваясь с большим количеством разнообразных задач, не можем обладать полнотой знаний по всем направлениям машиностроения, ремонта и эксплуатации оборудования и любой совет и конструктивную критику воспринимаем с благодарностью.

Типы концентраторов напряжений

Концентраторы напряжений в совокупности с действием повышенных нагрузок способствуют образованию трещин в деталях машин. За счет оптимизации геометрических параметров деталей возможно повысить ресурс деталей работающих в условиях воздействия переменных нагрузок. К таким способам оптимизации можно отнести создание разгрузочных канавок, скругление углов перехода, смещение концентраторов в менее нагруженные участки детали и т. п.

Особенностью многих концентраторов напряжений в деталях является то, что они расположены на участках технологических переходов, в которых как раз и возникают пиковые напряжения (рис. 1).

Рисунок 3 – Пример типичных концентраторов напряжений

(a) и (b) – вал с радиальной канавкой при растяжении;
(c) и (d) ступенчатая плоская пластина, подвергаемая изгибу;
(e) и (f) вал подвергаемый кручению;
(а), (в) и (д) – расчеты произведены Ansys;
(б), (г) и (е) – расчеты произведены в Inventor.

К примеру, у деталей исходная заготовка которой представляет собой поковку, при последующей механической обработке происходит удаление упрочненных участков. Кроме того, переходы формы кованых и штампованных деталей имеют пониженную прочность на этих участках за счет вытяжки металла.

Для литых заготовок концентраторы образуются на участках перехода формы за счет нарушения структуры металла при кристаллизации и охлаждении. На таких участках высока вероятность возникновения микротрещин, присутствия пористости металла и остаточных напряжений.

Таким образом существуют два типа концентраторов напряжений — обусловленные геометрическими параметрами детали и технологические.

Концентраторы напряжений в валах и осях

Источниками концентрации напряжений в валах и осях являются уже упомянутые ранее участки перехода формы, а также условия монтажа других деталей — ступенчатые переходы, шлицы, шпоночные пазы, резьбовые участки, поперечные отверстия, проточки, напрессовка или зажим деталей и т .п. Таким образом, концентрация напряжений определяется деталями, которые крепятся на вал или ось и размещением опор.

На рис. 3 представлены типичные примеры участков перехода формы валов и осей.

Рисунок 4 – Формы переходов для валов и осей

1. Рис 4а. Размеры радиуса r и перепада диаметров d и D при установке подшипников регламентируются следующими рекомендуемыми соотношениями: h/r=3, r/d=0,02…0,04 (для подшипников), r/d=0,03…0,06 (для втулок), с учетом размеров фасок на кольцах; эффективные коэффициенты концентрации напряжений* изгиба и кручения k=2,0…2,3 для стали в=600…1000 МПа.
2. Для валов из легированных сталей с соотношением D/d=1,4 значения эффективного коэффициента концентрации напряжений равны k=1,6…3,2 при соответствующем соотношении r/d=0,011…0,028.
3. Рис 4б. С учетом того, что выполнение галтелей уменьшает ресурс шлифовальных кругов и усложняет обработку, рекомендовано делать выточки для выхода круга с наибольшими возможными закруглениями.
4. Рис. 4в и 4г. Для напряженных валов рекомендовано применять галтели с эллиптическим контуром или очерченные разными радиусами. Такой подход позволяет сделать более равномерным распределение напряжений вдоль линии перехода вала.
5. Рис. 4д. Для уменьшения протяженности галтели в ряде конструктивных исполнений используют галтели с поднутрением участка вала на большем диаметре. Однако, такой подход усложняет технологию изготовления деталей.
6. Рис. 4е. Иногда, при наличии протяженной галтели на валу, для улучшения условий монтажа подшипников и колес используют промежуточное упорное кольцо, внутренняя поверхность которого повторяет контур галтели.
7. Рис. 4ж и 4з. Иногда эффективным является применение разгрузочных кольцевых канавок на ступени большего диаметра. Применение таких канавок снижает нагруженность перерезанных волокон. Кроме того, применение разгружающих канавок глубиной 0,8 от глубины основной канавки, по примеру рис. 3 ж, позволяет снизить напряжения в окрестности основной канавки на 20%.
8. Рис. 4и. Для валов, которые имеют возможность увеличения длины переходных участков удается добиться оптимальных параметров галтели – при длине участка перехода , равной диаметру значения коэффициентов концентрации напряжений при изгибе k и кручении kстремятся к единице.
9. Рис. 4к. Для полых валов рекомендован конусный переходной участок с углом конуса 4, длиной d/3 и галтель r/d=0,05.

В качестве иллюстрации эффективности применения разгрузочных канавок на рис. 5 приведен простой пример расчетной модели.

Рисунок 5 – Пример моделирования снижения концентрации напряжений

Снижение усталостной прочности валов происходит также при напрессовке деталей. Снизить негативное влияние на показатели прочности применяют следующие методы:

1. Рис. 6а. Увеличение диаметра вала на участке сопряжения со ступицей на 5% с выполнением плавных галтелей на участках перехода. Такой подход позволяет увеличить предел выносливости при передаче изгибающего момента через ступицу на 20…25%.
2. Рис. 6б, 6в. Изготовление круговых выточек у кромок вала позволяет повысить прочность примерно в 1,5 раза.
3. Рис. 6г, 6д. Изготовление на торцах ступиц разгрузочных канавок. При этом стенки у кромок должны быть минимальной толщины. Это позволяет повысить прочность на 20…40%.
4. Обкатка роликами галтелей и участка сопряжения со ступицей позволяет увеличить прочность, примерно, вдвое.
5. Рис. 6е. На 15…20% можно увеличить прочность соединений при использовании ступиц конической формы.

Рисунок 6 – Способы повышения усталостной прочности сопряжений в валах

В качестве примера применения описанных выше подходов на рис. 7, 8 приведен пример разработанного вала с модифицированными концентраторами напряжений.

Рис. 7. Модель вала с модифицированными концентраторами напряжений Рис. 8. Чертеж вала с модифицированными концентраторами напряжений

При конструировании данного вала, как видно из чертежа, применены отдельные приемы увеличения усталостной прочности. Кроме того, данный вал, как и тот, что представлен на рис.1, подвергается кратковременным перегрузкам, поэтому изначально расчеты велись с учетом максимальных нагрузок, которые могут быть на 30…50% выше номинальных. Это сделано было, по той причине, что зачастую клиенты, желая сэкономить на оборудовании, просят дать им машину с заведомо меньшей несущей способностью, при этом работают на пределе ее технических характеристик. При этом никто не гарантирует возникновения внештатных колебаний технологической нагрузки.

Расчет вала производился классическими методами сопротивления материалов, т.е. мы не прибегали в данном случае к моделированию нагруженности вала в специализированных компьютерных системах с применением метода конечных элементов.

Вал показанный на рис.1. также был модифицирован, но по просьбе нашего клиента мы не выкладываем его рабочий чертеж.

Резюме

В процессе нашей повседневной работы мы порой забываем о простейших приемах повышения ресурса эксплуатации деталей, поэтому периодически приходится заново открывать для себя давно известные правила. Что-то приходит с практикой, а кое-где нужен совет более опытного товарища. Мы надеемся на взаимопонимание наших читателей и будем ждать советов и практических рекомендаций.

Источник

Методы борьбы с ошибочной концентрацией напряжений в КЭ расчёте

Уже не раз сталкиваюсь с проблемой концентрации напряжений в мелкой и грамотно построенной КЭ сетке в упругих задачах, где не превышается предел текучести.

Например, в геометрии имеется два конструктивных элемента, соединённые под 90 градусов. Один из элементов подвергается изгибу так, что это 90-тиградусное соединение работает на разрыв. Логично, что там появляется концентрация.
Строю там упорядоченную сетку, мельчу элементы — с умельчением напряжения только растут и ошибка тоже. Обычная ситуация, в принципе.
Строю галтель или скругление, тоже строю упорядоченную сетку второго порядка — концентрация теперь лезет в скруглении.

Есть другие примеры, когда при решении контактной задачи угол одного конструктивного элемента давит на поверхность другого.

Поэтому хотел поинтересоваться, какие вообще существуют методы борьбы с такими явлениями. Просто, если есть у кого-то опыт, хотя бы перечислите возможные варианты, чтобы я знал, в каких направлениях гуглить и двигаться.

Поиск по форуму даёт разрозненные ответы, но не обрисовывает общей картины. Гугление на английском языке в основном ведёт на научные статьи, которые ничего путного в себе не несут.

Буду благодарен за помощь. С уважением.

Ответ прост — если есть математический концентратор, то при любом измельчении сетки напряжения будут расти до бесконечности.

1. Поэтому избавляемся от математических/численных проблем — не прикладываем сосредоточенных нагрузок, не делаем острых углов, в соединении рисуем мениски на клее и пр. Никаких острых углов в контакте (сделать скругление) и пр. Одним словом грамотно ставим задачу. Для этого также очень помогает знание внутренней математики и работы конечных элементов, контактных напряжений и алгоритмов и пр.
2. Если задача упругая, поставлена правильно, то при определенном уровне измельчения напряжения уже перестают существенно расти. Если нет — смотри пункт 1.
3. Биться за уровень напряжений имеет смысл в случае решения усталостных задач в рамках упругости и для хрупких материалов.
4. Для пластичных материалов небольшие локальные концентрации напряжений не страшны — так как «съедаются» пластикой, что вы легко можете проверить выполнив нелинейный расчет с включенной пластикой в материале.
5. Если неохота/сложно/долго делать нелинейный расчет, то на местные концентрации можно просто забить, либо воспользоваться подходом из BVPC или наших ГОСТов по расчету сосудов давления — линеаризация напряжений по пути. Правда для деталей ложной формы (не оболочек) уже не так просто опредлить как выбрать путь для построения распределения напряжений и пр.
6. Сказать на какие концентрации можно не обращать внимание, а какие действиетельно важны, ни ансис, ни кто либо сказать наперед вам не сможет — тут важен ваш опыт и квалификация как расчетчика, понимание механики и условий работы конкретной конструкции, поведения материала в конкретных условиях и так далее.

Если есть желание, можете картинки ваших «трудных» случаев тут чтобы можно было разобрать их и сказать что вы конкретно сделали неверно

Источник