Способ оценки ресурса конструкции

 

Использование: в сварных соединениях деталей машин и конструкциях. Цель: повышение точности оценки остаточного ресурса конструкции. Сущность изобретения: установку датчиков усталостного повреждения на образцы, которые испытывают при эквивалентном уровне напряжений, осуществляют после числа циклов нагружения соответствующего числу циклов предварительной наработке конструкции. На конструкции и образцах регистрируют накопление усталостного повреждения. Затем устанавливают зависимость накопленного усталостного повреждения от числа циклов нагружения. По установленной зависимости для конструкции определяют образцы с совпадающей аналогичной зависимостью на базе испытания конструкции, по которым оценивают остаточный ресурс конструкции. Положительный эффект: позволяет за счет скорости накопления усталостных повреждений повысить точность индивидуальной оценки остаточного ресурса конструкции в 10 раз. Дает возможность выявить образцы и элементы конструкций с одинаковыми скоростями накопления усталостных повреждений. 1 ил.

Изобретение относится к исследованию сопротивления усталости конструкций, в частности к способам оценки ресурсов конструкции, и является усовершенствованием известного способа, описанного в авт. св. 1128146.

В основном изобретении по авт.св. 1128146 описан способ оценки ресурса конструкции, включающий случай, когда известно ее число Nн циклов предварительной наработки. Способ заключается в следующем. На конструкции закрепляют датчик, позволяющий определять кинетику накопления усталостных повреждений. Через заданное число Nд циклов нагружения конструкции регистрируют показание R^к_∂ датчика. Испытывают группу образцов из материала конструкции сначала при различных, но постоянных в процессе нагружения амплитудах напряжений в течение Nн циклов. Затем закрепляют на образцах датчики, аналогичные датчику конструкции, и продолжают нагружение образцов при тех же амплитудах напряжений в течение Nд циклов нагружения. Устанавливают зависимость показаний датчиков, закрепленных на образцах, от уровня действующих напряжений. По показанию R^к_∂ датчика конструкции и установленной зависимости определяют значение эквивалентного напряжения σ_экв.. На образце, не подвергнутом предварительному нагружению, закрепляют аналогичный датчик и нагружают образец при амплитуде напряжений σ_экв до появления макротрещин. Одновременно регистрируют показание Rэ датчика при числе (Nн+Nд) циклов нагружения, а также его показания и число циклов при появлении макротрещины. Оценку остаточного ресурса конструкции осуществляют с учетом найденных значений и . Количество циклов до исчерпания остаточного ресурса вычисляют как разность . В относительных единицах остаточный ресурс оценивают по величинам и .

Недостатком способа является низкая точность оценки остаточного ресурса конструкции из-за неодинакового накопления усталостных повреждений на поверхности конструкции и образца испытываемого при напряжениях σ_экв.

Целью изобретения является повышение точности оценки остаточного ресурса конструкции.

Указанная цель достигается тем, что в способе оценки ресурса конструкции по авт. св. 1128146 установку датчиков усталостного повреждения на образцы, которые испытывают при эквивалентном уровне напряжений, осуществляют после числа циклов нагружения, соответствующего числу циклов предварительной наработке конструкции, на конструкции и образцах регистрируют накопление усталостных повреждений, устанавливают зависимость величины накопленного усталостного повреждения от числа циклов нагружения, по установленной зависимости для конструкции определяют образцы с совпадающей аналогичной зависимостью на базе испытания конструкции, по которым оценивают остаточный ресурс конструкции.

Это позволяет выявить образцы, у которых скорость накопления усталостных повреждений такая же, как на конструкции. Оценка остаточного ресурса конструкции по таким образцам обеспечивает повышение точности.

Способ осуществляется следующим образом. Согласно авт.св. 1128146 для образцов из материала конструкции определяют значение эквивалентных циклических напряжений σ_экв. Образцы испытывают на усталость при значении σ_экв числом циклов, соответствующим числу Nн циклов предварительной наработке конструкции. На образцы и конструкцию крепят датчики, позволяющие регистрировать накопление усталостных повреждений, например медные гальванические. Конструкцию испытывают в эксплуатационном режиме и фиксируют число циклов нагружения Nд. Образцы также испытывают чиcлом Nд циклов и при напряжении σ_экв.

Одновременно в процессе испытания образцов и конструкции фиксируют степень изменения свойств датчиков (величину R, которая отображает накопленное усталостное повреждение) и соответствующее значению величины R число циклов нагружения N. В качестве критерия оценки накопления усталостных повреждений используют, например, интенсивность потемнения датчиков (в результате появления и развития в процессе циклического нагружения темных пятен на поверхности), которую измеряют по величине отраженного от поверхности датчика светового потока фотометрическим прибором.

Значения R и N фиксируют непосредственно в процессе самого циклического нагружения или на его отдельных этапах. В первом случае получают сразу же зависимости R-N, а во втором по результатам эксперимента аналогичные зависимости устанавливают.

Полученные зависимости R-N сравнивают и отбирают образцы, у которых зависимости R-N совпадают с аналогичной зависимостью конструкции. У отобранных образцов фиксируют значение R=Rэ после Nд циклов нагружения. Затем их снова испытывают при напряжении σ_экв до появления на образцах макротрещины и регистрируют соответствующее им число циклов и показание датчика. Определяют средние значения найденных параметров и .

Остаточный ресурс конструкции по числу циклов нагружения вычисляют как разность . В относительных единицах остаточный ресурс конструкции определяют по формулам и . Возможную погрешность остаточного ресурса конструкции оценивают по разности максимального и минимального числа циклов до появления макротрещины в образцах .

Пример. Способ проверялся на круглых образцах из стали Ст.3. Образцы с гладкой рабочей частью длиной 50 мм и диаметром 10 мм испытывались на усталость при напряжении σ = σ_экв 270 МПа на чистый изгиб с вращением на машине МВП 10000. Частота нагружения соответствовала 10000 циклов в минуту. Коэффициент асимметрии цикла напряжений R_σ= -1. Температура испытаний комнатная. Испытаниям подвергались образцы в количестве семи штук. База испытаний образцов соответствовала Nн 100000 циклов и моделировала предварительную циклическую нагруженность конструкции.

Затем на образцы наклеивались медные гальванические датчики (изготовленные по авт.св. 1032328). Датчик занимал всю рабочую часть образца и имел один стык вдоль ее образующей. Наклейка датчиков осуществлялась клеем циакрин ЭО по общепринятой технологии.

После наклейки датчиков образцы вновь испытывались при всех выше описанных условиях. Одновременно в процессе испытаний устанавливалась количественная взаимосвязь числа N циклов нагружения и изменения свойств датчика. В качестве критерия оценки изменения свойств датчика применялась степень потемнения R его поверхности, которая является результатом появления и развития темных пятен.

При циклическом нагружении темные пятна возникают только при определенной величине сдвиговой деформации основного металла. Закономерности их развития совпадают с закономерностями накопления усталостных повреждений материала образцов. В этой связи величина R рассматривалась как интегральная мера накопленного усталостного повреждения.

Величина R измерялась по интенсивности отраженного от поверхности датчика светового потока специально разработанными фотометрическим прибором и методикой. Результаты измерений автоматически записывались на диаграммную ленту потенциометра. При этом каждому образцу соответствовала своя, вполне определенная зависимость R-N. Результаты таких измерений представлены на чертеже.

После нагружения образцов базой Nд 150000 циклов испытания прекращались. Полученные зависимости R-N образцов сопоставлялись друг с другом. Анализ этих зависимостей (см. чертеж) свидетельствует, что при Nд 150000 циклов нагружения у образцов 6,7,5 и 3 зависимости R-N практически совпадают. Данная закономерность обычно наблюдается при базе испытания менее 20.30% от долговечности образцов. Образец 7 с фиксированным значением R=Rэ был выбран за эталон конструкции.

Образцы 6,5 и 3, а также 1,2 и 4 снова испытывались при напряжении s_экв до появления макротрещины. При этом фиксировались число циклов нагружения до появления макротрещины в образце и соответствующее ему показание датчика. Фиксированные значения параметров Nн, Nд, , Rэ, , а также среднеарифметические значения и представлены в таблице 1. Нижние значения и таблицы 1 получены по результатам испытаний шести образцов.

Согласно предлагаемому способу для образца 7 абсолютное значение остаточного ресурса по числу циклов нагружения будет определяться как 611000 (100000 + 150000) 361000.

Фактическое разрушение данного образца до появления макротрещины произошло при 27,2 усл. ед. и 674000 циклов, тогда его остаточный ресурс составит 674000 100000 150000 424000 Ошибка в определении остаточного ресурса Оценка остаточного ресурса образца 7 по результатам испытания шести образцов с учетом соответствующего им значения .

1206000 250000 956000 Фактическая ошибка в Анализ полученных результатов исследования свидетельствует, что предлагаемый способ, основанный на учете скорости накопления усталостных повреждений, позволяет по числу циклов нагружения повысить точность оценки остаточного ресурса образцов примерно в 8 раз.

Проведенный расчет остаточного ресурса образца 7 в относительных единицах по формулам
показал, что погрешность оценки по образцам 6, 5, 3, а также по всем шести образцам (см. таблицу 1) соответственно составила 6,04 и 26,1% по первой формуле, а по второй 4,4 и 6,6% Отсюда видно, что и в относительных единицах оценка остаточного ресурса образца 7 по образцам 6,5 и 3 существенно выше, чем по совокупности всех испытанных образцов.

Таким образом можно считать, что предлагаемое изобретение позволяет за счет учета скорости накопления усталостных повреждений повысить точность индивидуальной оценки остаточного ресурса конструкции примерно в 10 раз. Оно дает возможность выявлять образцы и элементы конструкций с одинаковыми скоростями накопления усталостных повреждений. Способ может быть использован на сварных соединениях деталей машин и конструкций.

Формула изобретения

Способ оценки ресурса конструкции, заключающийся в том, что на конструкции, имеющей предварительную наработку, устанавливают датчик, нагружают конструкцию и регистрируют показания датчика, затем нагружают партию образцов из материала конструкции, давая им предварительную наработку, устанавливают на образцы датчики и продолжают нагружение, устанавливают зависимость показаний датчиков от уровня действующих напряжений и определяют σ_экв, нагружают образец при σ_экв до разрушения, регистрируют при этом число циклов нагружения и показания датчика и с учетом этих параметров оценивают ресурс конструкции, отличающийся тем, что используют партию образцов, которые испытывают при σ_экв,, крепление датчиков на образцы осуществляют после числа циклов нагружения, соответствующего числу циклов предварительной наработки конструкции, на конструкции и образцах регистрируют индивидуальное накопление усталостных повреждений, устанавливают соответствующие зависимости величины накопленного усталостного повреждения от числа циклов нагружения, а испытание до разрушения при σ_экв осуществляют для тех образцов из партии, у которых эта зависимость совпадает с аналогичной зависимостью конструкции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2