227
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUS15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUS
15.1. Kohalikud pinged Kohalik pinge = teatud konstruktsiooni kohtades tekkiv suhteliselt suur pinge
ehk
pingekontsentratsioonKohaliku pinge põhjused (allikad):
• varda (detaili)
geomeetria muutused, mis moonutavad pingete sujuvat laotumist
ehk
pingekontsentraatorid;
• väikesele pindalale koondunud koormused ehk
punktkoormused;
• lokaalsed
soojuseffektid ja nende tagajärjed (keevisõmblus);
• materjali
struktuuri järsud muutused (
defektid ) jne.
15.1.1. Pingekontsentraatorid
Pingekontsentraator =
koormatud varda (detaili) geomeetria järsk muutus (Joon. 15.1)
AsteSisselõige (soon)Ava Pingekontsentraator PingekontsentraatorPingekontsentraatorPingekontsentraator Pingekontsentraator PingekontsentraatorPinnakonarusedKorrosiooniarmMõlk Pingekontsentraator Pingekontsentraator Pingekontsentraator Detail DetailDetailJoonis 15.1Eelnevast :
Klassikalise tugevusõpetuse objekt = sirge ühtlane
varras (või iga teine detail,
mis on vaadeldav sellise vardana
Mitteühtlane varras = varda
NB! Inseneriarvutustes tuleb(detaili) kõik ristlõiked
ei ole ühesugused
tihti detaili (või selle elementi)(erineva pindala ja/või kujuga)
vaadelda vardanaPriit Põdra, 2004
228
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUSMitteühtlase varda (koormusest põhjustatud)
pingeolukord on eriti ohtlik, kuna:
• geomeetria järsud muutused moonutavad pingete sujuvat laotumist
materjalis ;
• teatud ohtlikes kohtades tekib suhteliselt suur (klassikalise tugevusanalüüsi
tulemustega võrreldes) kohalik pinge ehk
pingekontsentratsioon;
• selle kohaliku pinge väärtus võib kordades ületada klassikalise metoodikaga
arvutatud suurima pinge väärtuse (pinge nominaalväärtuse);
NB! Geomeetria muutus töötabSee, kuivõrd varda geomeetria
pingekontsentraatorina vaid sedavõrd,muutus põhjustab pingete
kuivõrd ta moonutab pingete laotustkontsentratsiooni, sõltub
koormuse iseloomust (Joon. 15.2).
Pingekontsentraatoriga konsool Ilma pingekontsentraatorita konsoolFFPingelaotusedPingelaotusedPingekontsentraatormoonduvadei moonduJoonis 15.215.1.2. Üksikkoormus kui kohaliku pinge allikas
Üksikkoormusena väljendub arvutusskeemil tavaliselt kahe detaili
kontaktis üle
kantav jõud, kui kontakti pindala on suhteliselt väike (Joon. 15.3).
Taapind vastu tasapindaKõverpind vastu tasapindaKõverpind vastu kõverpindaFFMJoonis 15.3Eelnevast:
Saint-Venant’i printsiip = Koormuse rakenduskohast küllalt kaugel ei
sõltu pingelaotused koormuse
rakendamise viisist (Joon. 15.4)
PROBLEEM:Koormuse rakenduskoha lähedal
sõltubPinged koormuse rakenduskoha
pingelaotus koormuse rakendamise viisist
lähedal =
kohalikud pingedPriit Põdra, 2004
229
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUSÜksikkoormus ja varda pingedF Survepinge Saint-Venant’iσ
epüüridprintsiip ei kehtiσ
= FASaint-Venant’iNominaalväärtusprintsiip kehtibσ
= FAσ
= FAJoonis 15.4Pingeolukord üksikkoormuse mõjupunkti ümbruses erineb tunduvalt kaugemal
paiknevate detailiosade pingeolukorrast. Üksikkoormusena käsitletava jõu rakendusala
(ehk kontaktiala) on lõpliku (kuigi väikese) pindalaga piirkond ka kõverpinnaliste detailide
kontaktis. Kõverpinnaliste detailide mitteühtiva kontakti korral saab kontaktiala pindala,
kontaktis mõjuvate
survepingete laotuse ning kontaktiala joondeformatsiooni arvutada
vastavalt
Hertz ’i
teooriale (1881) ehk laialt tuntud
Hertz’i
valemitega .
15.1.3. Kohaliku pinge suurim väärtus
Kohaliku pinge suurim⎧σ
=
K σ
Pinge kontsentratsioonitegur =
väärtus max
nom
(Joon.15.5) mingis
⎨ τ
pinge kontsentreerumise
arvuline K τ
detaili punktis:
⎩
max
τ nom
näitaja detaili mingis punktis
kus:
Kσ;
Kτ
⎯ pinge kontsentratsioonitegur (vastavalt normaalpinge ja
nihkepinge korral);
σmax; τmax ⎯ kohaliku (kontsentreerunud) pinge suurim väärtus, [Pa];
σnom;τnom ⎯
nominaalse (arvutusliku) pinge väärtus selles kohas (ilma pingete
kontsentratsiooni arvestamata), [Pa].
Pinge
kontsentratsioonitegurite väärtused:
• sõltuvad pingekontsentraatori
kujust ja mõõtmetest;
• sõltuvad materjali omadustest (plastsetele materjalidele
K ≈ 1, habrastele
K > 1);
• on seda suuremad, mida järsem on detaili ristlõike (kuju) muutus;
• saab arvutada
elastsusteooria meetoditega (sel juhul teoreetiline ehk elastne
kontsentratsioonitegur);
Pingete teoreetiline kontsentratsioonitegur = pinge kontsentreerumise
teoreetilistest arvutustest tulenev arvuline näitaja staatilisel
koormusel • saab määrata katseliselt standardsete metoodikatega
τ
U
K =
U
K =
(sel juhul effektiivne kontsentratsioonitegur):
ja
τ
τ
KU
KU
Priit Põdra, 2004
230
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUSkus: σU; τU ⎯ ilma pingekontsentraatorita katsekeha tugevuspiir, [Pa];
σKU; τKU ⎯ pingekontsentraatoriga katsekeha tugevuspiir, [Pa];
Pike Paine MmaxMσ
maxFFσ
nom = NAσ
nom = MWmaxnomMMσ
maxFFMMσ
max σ
nom = NnomAMMσ
maxFFσ
maxσ
nom = NAσ
nom = MWMMFFσ
maxσ
nom = NAσ
nom = MmaxWVääneMMτ
maxτ
nom = TW0Joonis 15.5Pingete efektiivne kontsentratsioonitegur = pinge kontsentreerumise
katseandmetest tulenev arvuline näitaja staatilisel koormusel
• tüüpjuhtude jaoks tuuakse käsiraamatutes.
Praktikast on teada, et materjalide
deformatsioonid ja pinged vahetult piirseisundi eel
Hooke ’i seadusele ei allu:
Priit Põdra, 2004
231
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUSEffektiivneKui analüüsil kasutada effektiivse asemelkontsentratsioonitegur on⇒
teoreetilist kontsentratsioonitegurit,teoreetilisest väiksemsaadakse tulemus suurema tugevusvarugaNB! Sama detaili (ja ka pingekontsentraatori)
pingtee kontsentratsiooniteguriteväärtused on üldjuhul erinevates pingeseisundites erinevad ( pike
paine
vääne
K≠
≠
Kσ
Kτ
)15.1.4. Pingete kontsentratsioonitegurite väärtused staatilisel koormusel
15.1.4.1. Normaalpinge kontsentratsioonitegurid pikkel Pikkepinge teoreetilisi kontsentratsioonitegureid mõningate detailide jaoks saab
ligikaudselt määrata ka toodud graafikuid ja
skeeme (Joon. 15.6) kasutades.
Avaga prismaatiline detail K 3.0bcσ
maxonitegurd2.5hioFFatscentrnom2.0onts
kF=
Kσ
=
Kmax
nom
inge 1.5bc2
P00.10.20.30.40.50.6d/hAstmega prismaatiline detail K 3.0bR σ
maxh/c = 2onitegurhc2.5ioR = (h – c)/2FFatsh/c = 1.3ntrnom2.0ontseF=
Kσ
=
Kmax
nom
ge kh/c = 1.1bcin 1.5P00.050.100.150.200.250.30R/cAstmega silindriline detail K 3.0R2egur1DFDF2.5D2/D1 = 2σ
maxratsioonitR = (D2 - D1)/2sentnom2.0ontD2/D1 = 1.54
F=
Kσ
=
Kmax
nom
inge kD2
2/D1 = 1.1DP 1.51
00.050.100.150.200.250.30R/D1Joonis 15.6Priit Põdra, 2004
232
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUS15.1.4.2. Nihkepinge kontsentratsioonitegurid väändelVäändepinge teoreetilisi kontsentratsioonitegureid mõningate detailide jaoks saab
ligikaudselt määrata ka toodud graafikuid ja skeemi (Joon. 15.7) kasutades.
Astmega võll2.0r KMuRMD2/D1 = 1.121DonitegD2 = D1 – 2RDD2/D1 = 1.5atsio 1.5ntrD2/D1 = 2τ
maxontseτ
nomge k
in
P16
= σ
M1.0K=
Kmax
nom
00.100.200.303
DR/D1
1Joonis 15.715.1.4.3. Normaalpinge kontsentratsioonitegurid paindel Paindepinge teoreetilisi kontsentratsioonitegureid mõningate detailide jaoks saab
ligikaudselt määrata ka toodud graafikuid ja skeeme (Joon. 15.8) kasutades.
Sisselõikega prismaatiline detail3.0bgur Kh = c + 2RMMiteioon 2.5maxh/c = 1.1hcratssent 2.02Rσ
nomonth/c = 1.2h/c = 1.05nge k6
MPi 1.5=
Kσ
=
K0max
nom
0.050.100.150.200.250.302
bcR/cAvaga prismaatilised detailidbbmaxnomMMMMcσ
max σ
hdhdnomc6
hM6
dmax
nom
≈
M2σ
= 2
b( 3
3
h −
d )
max
nom
b( 3
3
h −
d )
Joonis 15.8Priit Põdra, 2004
233
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUS15.1.5.
Tugevusarvutus kohaliku pinge järgi staatilisel koormusel
Pingete kontsentratsiooni korral:
• üleminekuraadiuse suurenemine vähendab kontsentratsiooniteguri väärtust;
• plastsema materjali korral on pingete kontsentratsioonioht on väiksem
(kohalikud pinged
laotuvad sujuvamalt materjaliosade ümberpaiknemisega);
• hapra materjali (karastatud teras) korral on prao tekkimise oht (v.a.
hallmalm );
• dünaamiline koormus on ohtlikum, kui staatiline.
Staatilise koormuse tugevustingimus :[σ ]
[τ]
τ
≤
≤
≤
ehk
nom
või
nom
max
[σ ]
KKSama metoodika järgi analüüsitakse kõiki lihtpingeseisundeid (pike, paine, vääne).
15.2. Vahelduvkoormused ja vahelduvpingedStaatiline koormus on vähemuutuv, vahelduvkoormus muutub ajas kiiresti:
• staatiline koormus
• vahelduvkoormus
rakendub
sujuvalt ,
rakendub kiiresti,
mõjub kaua,
mõjub lühikest aega,
muutub aeglaselt;
muutub pidevalt ja kiiresti.
Vahelduvkoormustega kaasnevadMasinates esinevad vahelduvpinged on
materjalis vahelduvpingeidtavaliselt tsüklilised (põhjustatud masinaosade
pöörlemisest, edasi-tagasi
liikumisest , vms. ⎯ pinge
väärtused muutuvad ajas korrapäraselt ja korduvalt).
Vahelduvpinge = perioodiliselt muutuv
Pingetsükkel = vahelduvpinge väärtuste
pinge (normaalpingeσ ja/või nihkepinge τ)
hulk ühe koormusperioodi vältel
Vahelduvpinge tsüklit iseloomustavad järgmised
parameetrid (Joon. 15.9):
• väärtuselt suurim pinge σmax , [Pa];
• väärtuselt vähim pinge σmin , [Pa];
• keskmine
(σ
•
amplituud -
(σ
max
min )
max
min )
pinge, [Pa]:
−
m
2
pinge, [Pa]:
a
2
• asümmeetriategur
min
R = σ .
max
Tüüpilised pingetsüklid on:
• reversiiv- ehk sümmeetriline tsükkel σm = 0 (koormuse suund muutub vastupidiseks,
ja selle suurim väärtus mõlemas suunas on
= σ
−
σ = σ
R = −
sama):
⇒
⇒
1 ;
min
max
a
max
sümmeetrilised võnkumised (
vibratsioon );
Priit Põdra, 2004
234
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUS pöörlevad võllid (väliskoormused ja inertskoormused);
• ühepoolne ehk tuiketsükkel σmin = 0 (koormus
on ühesuunaline ja selle väärtus muutub nullist kuni
σ = σ = σ
2 ⇒
R = 0 ;
m
a
max
suurima väärtuseni):
• üldtsükkel (kõik vahelduvkoormuse olukorrad, v.a. ülalkirjeldatud ⎯ koormus suund võib
muutuda või mitte ja koormuse väärtus muutub kõikvõimalikes piirides).
Reversiivkoormus ja sümmeetriline tsükkel R = -1Pinge, [Pa]
maxσ
aFm = 0Aeg, [s]
σ
aσ
min = -σ
maxTuikav koormus ja ühepoolne tsükkel R = 0Pinge, [Pa]
σ
max σ
aFσ
mσ
aσ
min = 0Aeg, [s]
Pulsatsioonkoormus ja üldtsükkelPinge, [Pa]
σ
maxσ
a σ
mFσ
aσ
min0Aeg, [s]
Joonis 15.9Vahelduvpinged esinevad kõikides konstruktsioonides, mis ise või milled osad liiguvad
mitteühtlaselt või pöörlevad. Vahelduvpingeid põhjustavad ka inertsjõud.
15.3. Materjali väsimustugevus
15.3.1. Materjali väsimuspiir
Materjali väsimine = detaili tugevuse kahanemine kohaliku purunemisprotsessi
tagajärjel vahelduvkoormuse (dünaamilise koormuse) toimel
Vahelduvkoormatud detaili väsimise toimub teatud pikkusega ajavahemiku vältel:
Priit Põdra, 2004
235
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUS• materjalis mõjuvad vahelduvpinged ja -deformatsioonid;
• materjali defekti või muu pingekontsentraatori
asukohas hakkab
(nominaalsest suuremate pingeväärtuste toimel) arenema
pragu (väsimuspragu);
• vahelduvkoormuse toimel pragu suureneb (materjal väsib) ja ristlõikepind
väheneb;
• detail puruneb tegeliku ritlõikepinna vähenemise tõttu (Joon. 15.10).
NB! Ka staatiline koormus on tavaliseltVäsimuspurunemise pindvaid näiliselt staatiline(Kõik masinates esinevad vibratsioonid on
võimalikud vahelduvpingete ning seega ka
Aja jooksulväsimusprotsessi allikad)
arenenudväsimuspraguMurdunud pindJoonis 15.10Materjali väsimustugevus =
Materjali teoreetiline väsimuspiir = suurim
materjali vastupanuvõime
pinge, mida materjal talub purunemata lõpmatu
väsimusprotsessile
arvu pingetsüklite vältel (Joon. 15.11)
Materjali väsimuspiirMaterjali praktilinePinge, [Pa]
Materjal puruneb väikeseväsimuspiir = suurim
arvu pingetsüklite järelpinge, mida materjal talub
purunemata küllalt suure
Materjal eiarvu (kuni mitmed sajad
purune kunagimiljonid) pingetsüklite vältel
Väsimuspiir, [Pa]Materjali väsimuspiiri
väärtused:0Pingetsüklite arv purunemiseni
• on määratud katseliselt
(standardsete
Joonis 15.11proovikehadega);
• määratakse erinevate
pingeseisundite jaoks eraldi teimidega (pikkel, paindel, väändel);
• määratakse erinevate pingetsükli tüüpide jaoks (vastavalt asümmeetriateguri
Rväärtustele) ⎯ sümmeetrilise tsükli väsimuspiir σ-1 (
R = -1) ja ühepoolse
tsükli väsimuspiir σ0 (
R = 0);
• tuuakse käsiraamatutes.
PaindelTõmbelVäändelNäiteks terasele:
σ ≈ 0 4
.
Rσ ≈ 0 28
.
Rτ ≈ .
0 22
R1
−
m
1
−
m
1
−
m
kus:
Rm
⎯ materjali tõmbetugevus, [Pa].
Priit Põdra, 2004
236
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUS15.3.2. Piirpingediagrammid
PROBLEEM:Teada on materjali sümmeetrilise tsükli väsimuspiir σ-1 ja ühepoolse tsükli
väsimuspiir σ0 (käsiraamatust või
testidest );
Vaja on hinnata väsimustugevust teistsuguse pingetsükli korral (mille
R ≠ 0 ≠-1).
Detailides mõjuvad
tegelikud vahelduvpingete tsüklid on tavaliselt sümmetrilise või
ühepoolse pingetsükli ning staatilise pinge kombinatsioonid. Selliste pingetsüklite
väsimusohtlikkuse analüüsiks kasutatakse erinevaid valemeid või piirpingediagramme.
15.3.2.1. Rabinovitshi piirpingediagrammRabinovitch’i piirpingediagrammi (Joon. 15.12) kasutatakse materjali väsimustugevuse
hindamiseks, kui tegelik pingetsükkel ei ole sümmeetriline ega ka ühepoolne:
Rabinovitchi piirpingediagrammTsükli amplituudpinge σa, [Pa]
σ
YVoolavusjoonVäsimustugevusVäsimustugevus-1on piisavei ole piisavB(σ
m,lim; σ
m,lim)Aσa
1200 MPa0Yσm
Tsükli keskmine pinge σm, [Pa]
Joonis 15.12• kehtib ainult terastele nii
normaal kui ka nihkepingete korral;
• vaja on teada materjali voolavuspiiri σY ning sümmeetrilise pingetsükli
väsimuspiiri σ-1 väärtusi;
• konkreetset pingetsüklit iseloomustav punkt
A(σm; σa) peab asuma halli ala
sees (kui punkt A paikneb
hallist alast väljaspool, ei ole materjali väsimustugevus selle
pingetsükli puhul piisav);
• materjali väsimuspiiri σR (selle
R-i väärtuse korral) näitab punkt
B, kus joon
0Alõikub halli ala piiriga (kui see joon lõikub hoopis
voolavus -
σ =σ
+σ
joonega , siis selle pingetsükli piirpingeks on staatiline
voolavuspiir ):
Rlim
m,
lim
a,
15.3.2.2. Serensen-Kinososhvili piirpingediagrammSerensen-Kinososhvili piirpingediagrammi (Joon. 15.13) kasutatakse materjali väsimus-
tugevuse hindamiseks, kui tegelik pingetsükkel ei ole sümmeetriline ega ka ühepoolne:
• kehtib metallidele nii normaal kui ka nihkepingete korral;
• vaja on teada materjali voolavuspiiri σY, sümmeetrilise pingetsükli
väsimuspiiri σ-1 ja ühepoolse pingetsükli väsimuspiiri σ0 väärtusi;
Priit Põdra, 2004
237
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUSSerensen-Kinososhvili piirpingediagrammTsükli amplituudpinge σa, [Pa]
Väsimustugevusσ
0/2σ
-1ei ole piisavB(σ
m,lim; σ
m,lim)Voolavusjoona
AVäsimustugevusσ
Yon piisav0σm
Tsükli keskmine pinge σm, [Pa]
σ
0/2Joonis 15.13• konkreetset pingetsüklit iseloomustav punkt
A(σm; σa) peab asuma halli ala
sees (kui punkt A paikneb hallist alast väljaspool, ei ole materjali väsimustugevus selle
pingetsükli puhul piisav);
• materjali väsimuspiiri σR (selle
R-i väärtuse korral) näitab punkt
B, kus joon
0Alõikub halli ala piiriga (kui see joon lõikub hoopis voolavus-
σ =σ
+σ
joonega, siis selle pingetsükli piirpingeks on staatiline voolavuspiir):
Rlim
m,
lim
a,
15.4. Detaili väsimustugevusDetaili ristlõike
väsimuspiiri (ja
Detaili väsimuspiir on tavaliselt madalam,väsimustugevust)
mõjutavad:
kui materjalile antud väsimuspiir (mis on
• detaili materjali omadused
saadud standardsete katsekehadega)
(
plastsed materjalid on väsimusele
vastupidavamad):
ka
hallmalmi (mis ei ole
plastne materjal) peetakse väsimuskindlaks
materjaliks : malmi
sisestruktuur sisaldab juba algselt niivõrd suurel
hulgal pingekontsentraatoreid, et detaili parameetritest tingitud
lisakontsentraatorid lõplikku väsimusolukorda oluliselt ei halvenda;
• pingekontsentraatorid (soodustab väsimusprao teket ja arenemist);
• detaili absoluutmõõtmed (mõõtmete suurenemisega kasvab ohtlike defektide esinemise
tõenäosus ning sellega
alaneb detaili väsimustugevus);
• pinnakonarused ja –defektid (on väsimusprao võimalikeks alguspunktideks) jne.
15.4.1. Pingete kontsentratsioonitegurid väsimusel
Pingete kontsentratsioonitegurid vahelduvkoormatud detailidele määratakse
katseliselt.
Pingete kontsentratsioonitegur väsimusel =
τ
τ
1
−
K =
ja
1
−
K =
pingekontsentraatori mõju arvuline näitaja:
F
F
τ
− K
1
− K
1
Priit Põdra, 2004
238
Tugevusanalüüsi alused ⎯
15. PINGETE KONTSENTRATSIOON JA VÄSIMUSTUGEVUSkus:
τ
K ;
K⎯ pinge kontsentratsioonitegur väsimusel vastavalt normaal- ja
F
F
nihkepingete jaoks (indeks F =
fatigue );
σ-1; τ-1
⎯ materjali (
sileda standardse katsekehaga saadud) sümmeetrilise
pingetsükli väsimuspiirid tõmbel/paindel ja väändel, [Pa];
σ-1K; τ-1K ⎯ antud liiki pingekontsentraatoriga katsekeha sümmeetrilise
pingetsükli väsimuspiirid tõmbel/paindel ja väändel, [Pa];
τ
K ja
K väärtused on avaldatud käsiraamatutes vastavalt detaili ja
F
F
pingekontsentraatori
kujule ja mõõtmetele ning materjalile.
Pingete kontsentratsioonitegurid väsimusel onK
Kõik kommentaarid