Sổ tay tính toán độ bền tuổi thọ chi tiết máy và kết cấu-V.P. Kogaep.pdf Sổ tay tính toán độ bền tuổi thọ chi tiết máy và kết cấu-V.P. Kogaep.pdf Sổ tay tính toán độ bền tuổi thọ chi tiết máy và kết cấu-V.P. Kogaep.pdf Sổ tay tính toán độ bền tuổi thọ chi tiết máy và kết cấu-V.P. Kogaep.pdf
Tính toán độ bền các bộ phận kết cấu
TÍNH ĐỘ BỂN THEO CẤC TIÊU CHUẨN
SỨC CHỐNG PHÁ HỦY KHI ĐẶT TẢI MỘT LẦN
CÁC TIÊU CHUẨN SỨC C H ốN G PHÁ HỦY GIÒN, GIẢ GIÒN, DAI
Các trạng thái giới hạn, dạng và tiêu chuẩn phá hủy đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán độ bền của các chi tiết máy và bộ phận kết cấu Việc xác định ứng suất định mức dựa trên công thức sức bền vật liệu và các đặc trưng độ bền vật liệu từ các thử nghiệm tiêu chuẩn hóa Ba dạng phá hủy chính bao gồm phá hủy giòn, giả giòn và dai, mỗi dạng có đặc điểm riêng về ứng suất và thời gian tồn tại của các chi tiết có vết nứt Đối với các bộ phận kết cấu chịu tải một lần với lực tương đối nhỏ, hệ số an toàn bền thường nằm trong khoảng 1,5 - 3 Khi xác định độ bền trong điều kiện này, cần ưu tiên tiêu chuẩn lực, tập trung vào ứng suất định mức và ứng suất cục bộ, trong khi tiêu chuẩn biến dạng và năng lượng không có ý nghĩa nguyên tắc Các trường hợp này thường liên quan đến vật liệu kim loại kết cấu ít dẻo và vật liệu composit với biểu đồ biến dạng tuyến tính trước khi phá hủy.
Trong ngành chế tạo máy, có xu hướng giảm hệ số an toàn cho các thiết bị kỹ thuật mới, với mức giảm từ 1,5 đến 2 lần so với chỉ định trước đây Điều này xảy ra do trong các vùng căng thẳng cao, như nơi tập trung ứng suất và mối hàn, khi chịu tải trọng vận hành, sẽ xuất hiện biến dạng cục bộ hoặc biến dạng dẻo tổng thể Trong những tình huống này, sự thay đổi của ứng suất định mức và ứng suất cục bộ không tỷ lệ thuận với mức tải trọng gia tăng.
Sự giảm sức chống biến dạng của vật liệu khi chuyển từ vùng dàn hồi sang vùng đàn hồi dẻo dẫn đến tăng ứng suất định mức và cục bộ từ 5-15%, trong khi biến dạng có thể tăng từ 1,5-3 lần Do đó, các tính toán độ bền dựa trên ứng suất định mức và cục bộ là không đủ, cần tính toán theo tải trọng giới hạn và phân bố ứng suất do biến dạng dẻo Các dự trữ theo tải trọng giới hạn thường cao hơn so với dự trữ theo ứng suất cục bộ không đàn hồi và có thể so sánh với dự trữ theo ứng suất định mức đàn hồi Việc áp dụng tiêu chuẩn phá hủy biến dạng, tập trung vào biến dạng cục bộ, mang lại triển vọng tốt hơn, khi đó dự trữ theo biến dạng cục bộ dẻo đàn hồi sẽ cao hơn so với các phương pháp tính toán truyền thống Sự chuyển đổi sang tính toán theo tiêu chuẩn độ bền biến dạng ngày càng quan trọng, đặc biệt trong chế tạo máy và kết cấu chịu tải cao, nơi các phương pháp thực nghiệm như đo biến dạng chụp toàn cảnh và giao thoa được sử dụng để xác định trạng thái ứng suất - biến dạng cục bộ, mặc dù việc quy đổi biến dạng thành ứng suất trong điều kiện dẻo đàn hồi là phức tạp.
Khi có các biến dạng vận hành và giới hạn đã được xác định từ tính toán hoặc thực nghiệm, cùng với các phương trình trạng thái và liên kết ứng suất - biến dạng, ta có thể tiến hành tính toán theo các tiêu chuẩn năng lượng sau khi thực hiện phép tích phân tương ứng Các tính toán độ bền theo tiêu chuẩn năng lượng mang ý nghĩa quan trọng, đặc biệt khi các máy móc và kết cấu được đặc trưng bởi khả năng dự trữ năng lượng biến dạng của các cụm và chi tiết chịu lực, cũng như của các chất làm việc như chất lỏng và khí Những kết cấu này bao gồm bình chứa khí, đường ống dẫn, bình áp suất, thiết bị công nghệ khí nén và thủy lực, cùng các thiết bị gia công nổ Tuy nhiên, do sự làm bền không đáng kể trong vùng không đàn hồi của vật liệu kim loại, mối quan hệ giữa năng lượng biến dạng và mức biến dạng gần như là tuyến tính Do đó, các tính toán độ bền theo tiêu chuẩn biến dạng và năng lượng thực tế trùng khớp, với các hệ số an toàn theo biến dạng và năng lượng cũng gần như tương đồng hoặc bằng nhau.
Cùng với sự phát triển các phương pháp tính độ bền, việc giảm hệ số an toàn và lượng kim loại trong máy móc và kết cấu đòi hỏi các tính toán thiết kế cần được điều chỉnh từ ứng suất sang biến dạng hoặc năng lượng biến dạng Sự hiện diện hay vắng mặt của khuyết tật trong chi tiết máy và bộ phận kết cấu có vai trò quan trọng trong các trạng thái giới hạn và tiêu chuẩn phá hủy Các khuyết tật vĩ mô như vết nứt làm giảm độ bền và tuổi thọ của máy móc, gây ra sự tập trung ứng suất cục bộ và biến dạng Kích thước vết nứt có thể dao động từ 1 đến 100 mm², điều này yêu cầu kiểm tra khuyết tật trong quá trình chế tạo các kết cấu máy bay, thiết bị hóa học, bình áp suất và phương tiện vận tải.
Khảo sát các máy và kết cấu trong các giai đoạn vận hành khác nhau cho thấy rằng kích thước thực của các khuyết tật dạng vết nứt, mà không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực, có thể lớn hơn từ 10 đến 103 lần so với kích thước quy định Do đó, quan niệm lâu nay về việc cấm vận hành các máy và kết cấu có vết nứt trong nhiều trường hợp không phản ánh đúng tình trạng thực tế của chúng và không hợp lý theo quan điểm kinh tế.
Các trạng thái và điều kiện đặt tải có ảnh hưởng lớn đến sự tập trung ứng suất trong các tấm Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu suất của cấu trúc.
Khi thiết kế độ bền cho các kết cấu chịu tải tĩnh, các tính toán thường dựa trên hai giả thiết chính: tính liền đặc của vật liệu và sự phá hủy xảy ra khi có ứng suất nguy hiểm tại điểm chịu tải cao nhất Hình 1 minh họa bốn trạng thái tấm với sự tập trung ứng suất.
- Trạng thái ban đầu không chịu tải (hình l,a), khi không có tải ngoài và không có các ứng suất cục bộ định mức (P = 0, ƠH = 0, ơ max = 0), tấm liền đặc.
Khi các tải trọng tác động và các ứng suất nhỏ hơn các tải trọng tới hạn (P < Pc, ơ 'H ô GHc, ơ max ô ơ maxc), tấm vẫn giữ trạng thái liền đặc.
Trạng thái chịu tải xảy ra khi lực tác động và các ứng suất đạt đến mức tối đa, cụ thể là P = Pc và ƠH = ơ Hc > ơ max = ơ ’maxc Tại thời điểm này, tấm sẽ bị phá hủy tạm thời từ điểm có ứng suất cục bộ cực đại a maxc.
- Trạng thái phá hủy (hình l,d) khi tấm bị tách bởi vết nứt thành các phần, không có tải trọng và ứng suất (P = 0, ƠH = 0, ơ^ax = 0).
Tấm trơn không khuyết tật có các trạng thái tương tự nhưng không có sự tập trung ứng suất, với các ứng suất cục bộ và ứng suất định mức bằng nhau (ƠH = ơ max) Sự phá hủy có thể bắt đầu tại bất kỳ điểm nào của tấm khi ứng suất tại điểm đó đạt tới ứng suất tới hạn (ơ Hc = C7maxc), dẫn đến khả năng chịu lực của tấm tạm thời bằng không.
Khi trong tấm có vết nứt giữa xuyên suốt chiều dài
21, sẽ xuất hiện sự khác biệt thực sự trong các trạng thái ứng suất - biến dạng và trong trạng thái giới hạn.
Hình 3 Các trạng thái và các mức chịu tải của tấm có vết nứt Ồ giữa
Khi không có tải trọng, tấm không chịu ứng suất nào, tương tự như các tấm có hoặc không có sự tập trung ứng suất Khi tải trọng tăng đến mức p, ứng suất định mức xuất hiện tại tiết diện nguy hiểm, dẫn đến sự gia tăng ứng suất cục bộ tại mũi vết nứt Ứng suất chính ở hướng trục y tăng lên vô hạn do sự tập trung lớn tại mũi vết nứt Các ứng suất cục bộ này có thể đạt giá trị cao hơn mức ứng suất tới hạn khi tấm bị phá hủy Tuy nhiên, thí nghiệm cho thấy sự phá hủy không xảy ra ngay cả khi tải trọng tăng đến mức Pn, miễn là ứng suất định mức không vượt quá ơ Hn và chiều dài vết nứt có thể tăng mà vẫn giữ được khả năng chịu lực Khi điều kiện độ bền cục bộ không còn, tấm sẽ ở trạng thái trung gian, không được xem xét trong các phương pháp truyền thống Tăng tải trọng tiếp theo dẫn đến trạng thái tới hạn không ổn định của vết nứt, với sự phát triển nhanh chóng của vết nứt và giảm tải trọng đột ngột Cuối cùng, tấm bị phá hủy sẽ có các thông số như p = 0, ơ u = 0, và ơ max = 0, tương tự như tấm không có vết nứt.
Trong quá trình đặt tải các tấm làm bằng vật liệu kết cấu, có thể xảy ra biến dạng cục bộ và biến dạng dẻo chung Sự tái phân bố ứng suất phức tạp tại tiết diện nguy hiểm gây khó khăn trong việc xem xét các điều kiện biến dạng và phá hủy liên quan đến lực.
Để phân tích sức chống biến dạng và phá hủy, người ta sử dụng biểu đồ từ các thử nghiệm cơ học trên mẫu trơn, mẫu có điểm tập trung ứng suất và mẫu có vết nứt Trong các phương pháp thử kéo chuẩn hóa mẫu dẹt và mẫu trơn hình trụ, thường xây dựng biểu đồ kéo thể hiện mối quan hệ giữa lực kéo và độ giãn dài của mẫu Độ giãn dài được xác định bằng cách đo tại hai điểm khởi thủy khác nhau tương ứng với tải trọng.
Al = 1 — 10 (1) ô Khi tăng cỏc tải trọng tới mức p thỡ diễn ra sự giảm tiết diện ngang từ F0 (P = 0) xuống còn F(P * 0) một lượng là
Mức phụ thuộc của Al và AF vào p được thể hiện qua đường cong 1 trong hình 4, cho thấy dạng cong kéo đặc trưng khi thử nghiệm các loại thép ít cacbon, mềm và dẻo Các điểm đặc biệt trên biểu đồ này đáng chú ý.
- Điểm A, tương ứng trị số giới hạn các biến dạng đàn hồi và tương ứng khởi điểm chảy khi p = PT.
- Điểm c, tương ứng tải trọng cực đại P0 trong quá trình đặt tải và tương ứng sự kết thúc biến dạng dẻo đều theo các tiết diện của mẫu.
- Điểm K, tương ứng tải trọng Pk và tương ứng sự kết thúc phá hủy mẫu.
Tính các đặc trưng sức chống mỏi
TÍNH TOÁN Độ BỀN CẮC BỘ PHẬN KẾT CÂU
KHI ĐẶT TẢI ÍT CHU TRINH
Sự phá hủy do độ mỏi ít chu trình xảy ra trong các điều kiện biến dạng đàn hồi dẻo với số chu trình dưới 5.10^4 - 10^5, dẫn đến hình thành các vết nứt lớn hoặc phá hủy hoàn toàn Đây là ranh giới quy ước giữa độ mỏi ít và nhiều chu trình cho các hợp kim và thép dẻo, đồng thời xác định trị số trung bình các chu trình cho vùng chuyển tiếp từ biến dạng đàn hồi dẻo sang biến dạng đàn hồi tuần hoàn Đối với các hợp kim bền cao, vùng chuyển tiếp này lệch về phía tuổi thọ lớn, trong khi đối với các hợp kim giòn, nó lệch về phía tuổi thọ nhỏ.
Thông qua việc phân tích sự phá hủy do độ mỏi ít chu trình, có thể phân biệt giữa hai chế độ đặt tải: chế độ cứng và chế độ mềm.
Sự đặt tải tĩnh cứng là quá trình đặt tải tuần hoàn, trong đó các trị số trung bình và biên độ của độ biến dạng tuần hoàn được duy trì ở mức ban đầu trong suốt quá trình thử nghiệm.
Sự đặt tải tĩnh - quá trình tải tuần hoàn, trong đó các trị số trung bình và biên độ của ứng suất (lực) tuần hoàn được duy trì không đổi trong suốt quá trình thử nghiệm.
Sự biến dạng tuần hoàn trong vùng đàn hồi dẻo diễn ra dưới chế độ cứng và chế độ mềm, kèm theo sự hình thành vòng trễ, đặc trưng cho hoạt động của biến dạng đàn hồi dẻo trong toàn bộ chu trình thay đổi lực Mối liên hệ giữa ứng suất và độ biến dạng khi tải tuần hoàn vượt quá giới hạn đàn hồi được thể hiện qua các biểu đồ biến dạng đàn hồi dẻo theo số lượng bán chu trình.
Vòng trễ và biểu đồ tuần hoàn được đặc trưng bởi các thông số như độ biến dạng đàn hồi dẻo, độ biến dạng đàn hồi và độ biến dạng dẻo trong các bán chu trình đặt tải Các yếu tố quan trọng bao gồm biên độ toàn phần, biên độ biến dạng đàn hồi dẻo, và các ứng suất cực đại cùng độ biến dạng trong các bán chu trình Ngoài ra, cần chú ý đến biên độ ứng suất trong chu trình, chiều rộng vòng, và độ biến dạng dẻo tích tụ một phía sau mỗi chu trình Các giới hạn chảy trong các bán chu trình đặt tải và môđun cắt tải cũng là những chỉ số quan trọng Cuối cùng, ứng suất cực đại của chu trình là giá trị lớn nhất theo trị số đại số, trong khi ứng suất cực tiểu là giá trị nhỏ nhất, và ứng suất trung bình được xác định là nửa tổng đại số của ứng suất cực đại và cực tiểu trong chu trình.
Biến độ các ứng suất trong chu trình là trị số dương lớn nhất của thành phần biến đổi, được xác định bởi môđun bán hiệu số đại số giữa ứng suất cực đại và ứng suất cực tiểu trong chu trình.
Biên độ toàn phần của các ứng suất trong chu trình được xác định bằng biên độ đôi của các ứng suất, tính từ môđun hiệu đại số của ứng suất cực đại và ứng suất cực tiểu trong chu trình.
Biên độ toàn phần và biên dộ các độ biến dạng có thể xác định cho thành phần đàn hồi dẻo, thành phần đàn hồi và thành phần dẻo.
Chiều rộn vòng trễ là độ biến dạng dẻo cực đại trong một chu trình hoặc bán chu trình đặt tải Độ biến dạng dẻo tích tụ một phía sau một chu trình được tính bằng tổng đại số các chiều rộng của các vòng trễ trong hai bán chu trình đặt tải cạnh nhau.
Mô đun cắt tải được xác định là tang góc nghiêng của đường nối giữa các điểm biểu đồ, thể hiện sự bắt đầu và kết thúc của quá trình cắt tải Giá trị của mô đun này có thể thay đổi tùy thuộc vào mức tải ban đầu và số lượng chu trình thực hiện.
Các chỉ số tăng bền m^°\ m ® , Eị0^, EịK^ được xác dịnh bằng các công thức tò *6
Các chế độ biến dạng dàn hồi dẻo tuần hoàn của vật liệu tại các điểm nguy hiểm trong các bộ phận kết cấu bao gồm ba loại chính: cứng, mềm, và chế độ trung gian giữa cứng và mềm Các bán chu trình đặt tải được ký hiệu là 0, 1, 2, k(k+1).
Hình 2 Các biểu đồ biến dạng vật iiệu tăng bền tuần hoàn ở chế độ dặt tải: a Mềm, b Cứng
Khi đặt tải ít chu trình, cần phân biệt giữa các vật liệu tăng bền, khử bền đẳng hướng và dị hướng tuần hoàn, cùng với các vật liệu ổn định.
Các vật liệu tăng bền tuần hoàn là những vật liệu có chiều rộng vòng trễ giảm khi chịu tải mềm, đồng thời cốc ứng suất cực đại của chu trình tăng lên khi chịu tải cứng Điều này dẫn đến sự gia tăng các chỉ số tăng bền m® và E® từ chu trình này sang chu trình khác.
C á c vật liệ u k h ử bền tu ầ n hoàn - các vật liệu mà trong dó chiều rộng vòng trễ tăng lên khi đặt tải mềm
(hình 3 ,a) còn các ứng suất cực đại của chu trình thì ồỊ-cinst £a-mĩt
Hình 3 Các biểu đổ biến dạng vật liệu tăng bến tuần hoàn khi dặt tải: a Mềm; b Cứng
Hình 4 minh họa các biểu đồ biến dạng của vật liệu ổn định dưới chế độ đặt tải, với hai trường hợp: a Mềm và b Cứng Khi áp dụng tải cứng, biến dạng giảm xuống (hình 3, b), trong khi các chỉ số bền m®, EịK^ có xu hướng giảm dần từ chu trình này sang chu trình khác.
Các vật liệu ổn định trong tuần hoàn, với chiều rộng vòng trễ và các chỉ số tăng bền m® và EịK^ không thay đổi khi chịu tải mềm và cứng, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng kỹ thuật.
Tính độ bền mỏi khi đặt tải nhiều
TÍNH CÂC ĐẶC TRƯNG sức CHỐNG MỎI
KHI DẶT TẢI NHIỀU CHU TRÌNH
CÁC ĐẶC TRƯNG SỨC C H ốN G MỎI VẬT LIỆU
Để đánh giá đặc trưng sức chống mỏi của vật liệu trong phạm vi nhiều chu trình (N > 10^4 - 10^5), các thử nghiệm mỏi được thực hiện trên các mẫu trơn, không có điểm tập trung ứng suất, với kích thước nhỏ và đã được đánh bóng.
Thử nghiệm uốn kèm quay thường được thực hiện trên các mẫu có đường kính d0 = 7,5mm Các yêu cầu về mẫu, cấu trúc và phương pháp thử nghiệm được quy định trong tiêu chuẩn quốc gia (Nga) 25.502-79.
Tùy thuộc vào yêu cầu về độ chính xác và tính đầy đủ của các đặc trưng cần xác định, người ta có thể áp dụng phương pháp thông thường để dựng đường độ mỏi dựa trên kết quả thử nghiệm từ 10 mẫu hoặc tiến hành thử nghiệm với một số lượng mẫu lớn hơn.
Trong nghiên cứu độ mỏi, chúng tôi đã thực hiện hơn 50-100 thử nghiệm để xây dựng các biểu đồ xác suất đầy đủ Các biểu đồ này bao gồm các đường cong phân bố tuổi thọ mỏi trong tọa độ xác suất phá hủy p, % và số chu trình tính đến khi bị phá hủy N với thông số ơ a (biên độ các ứng suất biến đổi) Bên cạnh đó, chúng tôi cũng đã tạo ra các đường cong độ mỏi trong tọa độ ơ a - N với xác suất p, % và các đường phân bố giới hạn mỏi hạn chế ơ lN trong tọa độ Ơ_1N - p%, tương ứng với các chu trình khác nhau tính đến khi bị phá hủy N.
Các đường mỏi thường được biểu diễn trong tọa độ loga kép lgơa - lgN hoặc tọa độ nửa loga ơ a - lgN, với hai đường gần đúng: một đường nghiêng trong dải số chu trình 10^4 - (1+3)10^6 và một đường ngang hoặc nghiêng nhẹ khi N > (1-ỉ-3)10^6 chu trình Đối với thép cacbon ở nhiệt độ bình thường và không có sự ăn mòn, có thể xác định một đoạn nằm ngang trên đường cong mỏi, với phương trình dạng (các đường thẳng trong tọa độ loga kép) Cụ thể, ơ “1NN = ơ “ldNG khi N < Ng; N = ∞ khi N > NG, trong đó ơ_1N là giới hạn mỏi của chi tiết trong chu trình cân đối tương ứng với số chu trình N; NG là số chu trình tại điểm gãy đường cong mỏi; và m là chỉ số nghiêng nhánh trái đường cong mỏi, với độ nghiêng tăng khi chỉ số này giảm.
Trị số m thường dao động trong khoảng từ 3 đến 25 và được tính toán dựa trên đường cong mỏi theo công thức lg(NG/N) lg(N2/N1) m lg(ơ - l N / ơ - l d) Ig(ơ -1 N2 / ơ - l N1) Trong đó, Ơ_1N1 và Ơ_1N2 là các giới hạn mỏi hạn định tương ứng với số chu trình và N2 Để xác định gần đúng trị số m, có thể sử dụng công thức m = G/K, với c = 5 + ơb /80 (ơb, MPa) và K là hệ số tổng cộng, phản ánh ảnh hưởng của tất cả các yếu tố đối với sức chống mỏi Đối với các mẫu trơn, K được xác định là 1.
Số chu trình NG thường được lấy trong dải 106 - 3.106 chu trình, trung bình NG = 2.106.
Trong các vật liệu chịu nhiệt độ cao hoặc bị ăn mòn, cũng như trong các hợp kim nhẹ, thép hợp kim và gang ở nhiệt độ bình thường, đường cong mỏi không có đoạn nằm ngang, cho thấy đặc tính không giảm Đường cong mỏi có thể được xấp xỉ bằng hai đường thẳng nghiêng cắt nhau tại tọa độ (NG) Phương trình đường cong mỏi có thể được biểu diễn dưới dạng Ơm/NN = Ơ ^ N g khi N < N g và 2n N = Ơ ^ N q khi N > N g Trong đó, mj là chỉ số nghiêng của nhánh trái đường cong mỏi và m2 là chỉ số nghiêng của nhánh phải (khi N > NG), với trị số m2 có thể thay đổi trong khoảng từ 10 đến 100 và lớn hơn.
Trên thực tế, không có trị số m2 thu được từ thực nghiệm, mặc dù chúng rất quan trọng vì tổng số chu trình trong thời gian phục vụ có thể lên tới 10^12 hoặc hơn Nguyên nhân là do việc thử độ mỏi một mẫu yêu cầu tới 5.10^8 chu trình với tần số 3000 chu trình/phút, kéo dài liên tục trong 4 tháng.
Trong tiêu chuẩn quốc gia Nga, phương pháp thử nghiệm nhiều mẫu và phân tích xác suất kết quả được đề cập rõ ràng Việc đánh giá xác suất các đặc trưng sức chống mỏi, cùng với việc xây dựng biểu đồ xác suất mỏi, liên quan đến sự phân tán lớn của các đặc trưng như tuổi thọ mỏi N và giới hạn mỏi Ơ_1N tương ứng với số chu trình N Chẳng hạn, tỷ số giữa tuổi thọ cực đại và cực tiểu từ 20-40 mẫu thép bền cao thử nghiệm trong điều kiện giống hệt nhau có thể lên tới 1000, cho thấy sự phân tán cơ tính bên trong Sự phân tán này thường bị xem nhẹ trong các thử nghiệm kéo tĩnh và chỉ chú trọng vào phân tán giữa các lần nấu chảy, và nếu cần thiết, phải phân loại theo nhà máy sản xuất và dạng phôi Các đặc trưng xác suất cơ tính của vật liệu được trình bày chi tiết trong bảng 1.
Số liệu cho hợp kim nhôm D16AMT được thu thập từ ba nhà máy khác nhau với mỗi lần chọn từ 30 mẫu Mặc dù số lượng mẫu lớn, nhưng các trị số trung bình và hệ số biến đổi của các cơ tính kim loại vẫn có sự khác biệt giữa các nhà máy Để tính độ bền của các bộ phận bằng phương pháp xác suất, cần sử dụng số liệu từ một nhà máy luyện kim cụ thể, nếu các bộ phận được chế tạo từ kim loại của nhà máy đó Trong trường hợp các bộ phận được chế tạo từ kim loại của nhiều nhà máy khác nhau, cần đánh giá các trị số trung bình và hệ số biến đổi của các đặc trưng cơ tính dựa trên các mẫu thống nhất từ tất cả các nhà máy.
Sự phân tán các cơ tính giữa các lần nấu chảy của hợp kim có thể rất lớn và khác biệt giữa các loại hợp kim Chẳng hạn, hệ số biến đổi giới hạn bền VƠB của hợp kim titan 0T4-1, được xác định từ các mẫu của các nhà máy khác nhau, dao động trong một khoảng rộng.
Hợp kim titan BT1-00 có hàm lượng biến đổi giới hạn bền từ 4,1% đến 15,3%, trong khi các hợp kim khác dao động từ 2,8% đến 8,1% Dựa trên số liệu từ nhiều mẫu, các hệ số biến đổi giới hạn bền của các thộp Vỗjg cho thấy sự dao động đáng kể.
Sự phân tán các trị số ƠB trong các lần nấu chảy dao động từ 3-12%, cho thấy chúng tuân theo quy luật thông thường Trong trường hợp này, trị số trung vị và trị số trung bình của giới hạn bền trùng nhau và được ký hiệu bằng ƠB.
1 Các đặc trưng xác suất các cơ tính vật liệu khi kéo tĩnh
Ghi chú: ỠB, Ỡ02 > ô - các trị số trung bình của giới hạn bền, giới hạn chay và độ giãn tương đối khi đứt;
V Ơ B , vơ o> Vôv ■ các hệ số biến đổi các trị số nói trên.
Khi đánh giá các cơ tính kim loại, cần lưu ý rằng sự gia tăng kích thước phôi trong quá trình nhiệt luyện sẽ dẫn đến giảm các trị số trung bình của giới hạn bền ƠB, giới hạn bền mỏi Ơ_t và các thông số khác Sự giảm này là do tính không đồng nhất của kim loại tăng lên và mức độ tóp giảm, khiến cho các điều kiện nhiệt luyện trở nên khó khăn hơn Do đó, các cơ tính vật liệu (ƠB, Ơ_x) được xác định trên các mẫu thí nghiệm có kích thước nhỏ (d0 = 7 - 10 mm) từ các phôi có đường kính khác nhau sẽ giảm xuống cùng với sự gia tăng đường kính d.
Hệ số giảm bền và bền mỏi phụ thuộc vào đường kính d của phôi, như được thể hiện trong hình 1 và được xác định qua một phương trình cụ thể.
Ước lượng sức sống các chi tiết máy và các bộ phận kết cấu
TÍNH Độ BỆN MỐI KHI ĐẶT TẢI
NHIỀU CHU TRÌNH ƯỚC LƯỢNG CÁC ĐẶC TRƯNG TÍNH TOÁN
KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CÁC CHI TIET m á y
Có thể chia đặc điểm thay đổi tải trọng theo thời gian ra gồm đặc điểm thay đổi đều dặn và không đều đặn.
Sự đặt tải đều đặn được định nghĩa là quá trình thay đổi định kỳ các tải trọng với cực đại và cực tiểu trong một chu kỳ, trong khi các thông số chu trình ứng suất giữ nguyên trong suốt thời gian thử nghiệm hoặc vận hành Các dạng đặt tải không đáp ứng tiêu chí này được gọi là sự đặt tải không đều đặn Mặc dù sự đặt tải đều đặn ít khi xảy ra, nhưng các thông số chu trình ứng suất có thể là những đại lượng ngẫu nhiên Một ví dụ điển hình là lò xo xupap của động cơ, nơi lò xo bị nén trong từng chu trình theo một khoảng lún nhất định Đối với những lò xo giống nhau, độ cứng có thể thay đổi do những biến động nhỏ trong đường kính dây quấn, chế độ nhiệt luyện, số vòng lò xo và bước quấn Do đó, mặc dù độ lún của tất cả các lò xo có thể giống nhau, biên độ ứng suất tiếp tuyến trong chúng sẽ là biên độ ngẫu nhiên, trong khi biên độ của từng lò xo có thể vẫn ổn định trong suốt thời gian sử dụng, cho thấy quá trình đặt tải vẫn có thể đều đặn.
Trong thực tế, nhiều trường hợp có đặc điểm thay đổi ngẫu nhiên của ứng suất theo thời gian, được chia thành hai dạng: quá trình dải hẹp và quá trình dải rộng Trong trường hợp tổng quát, quá trình ngẫu nhiên có thể được mô tả bằng một trị số trung bình nào đó, chịu ảnh hưởng của các dao động ngẫu nhiên Để thuận tiện, ta đưa vào đại lượng phù hợp.
Trong bài viết này, chúng ta xem xét quá trình thay đổi ngẫu nhiên của các ứng suất, được mô tả bằng công thức X = ơ - ơ m (1) Đặc điểm của quá trình này được thể hiện trong tọa độ X - t qua đường đứt (đường gạch gạch) như trong hình 1 Trị số trung bình (kỳ vọng toán) của quá trình x(t) bằng không, điều này giúp đơn giản hóa các kết luận tiếp theo.
Thông số X được xác định bằng tỷ số giữa số trung bình các điểm không bằng 0 của quá trình, tức là số điểm mà đồ thị hàm x(t) cắt trục hoành (trục hoành trùng với mức trung bình các ứng suất), và số trung bình các cực trị của quá trình n3, bao gồm tất cả các cực đại và cực tiểu, trong một khoảng thời gian T nhất định.
Trong hình 1, các điểm không (0) được đánh dấu bằng chữ thập (dấu nhân x), trong khi các cực trị được biểu thị bằng các điểm tròn Theo số liệu hình l,a: n0 = 17, n3 = 20, tỷ lệ X 17/20 = 0,85; còn theo số liệu hình l,b: n0 = 4, n3 = 20, tỷ lệ X 4/20 = 0,2 Đối với quy luật thay đổi điều hòa như quy luật hình sin, X = 1 Quá trình ngẫu nhiên với X = 1 (hình l,a) được gọi là quá trình ngẫu nhiên dải hẹp, trong đó các tần số tập trung gần một trị số nhất định Ngược lại, đối với quá trình dải rộng (hình l,b), thông số X thường nhỏ và các tần số nằm trong một khoảng khá rộng Trong trường hợp quá trình dải hẹp, khái niệm biên độ ứng suất trở nên rõ ràng, với một cực đại ứng suất được ký hiệu là i và biên độ ứng suất tương ứng với chu trình i này.
Nếu đã biết hàm phân bố các cực đại của quá trình fM(ơmax), thì cũng có thể xác định hàm phân bố các biên độ ứng suất, fa(ơa), theo công thức ^ai = ^max i - (3).
Trong quá trình dải rộng, có nhiều phương pháp khác nhau để tách biên độ ứng suất, ảnh hưởng trực tiếp đến sự tích tụ hư hỏng mỏi Điều này dẫn đến việc phát triển nhiều phương pháp sơ đồ hóa các quá trình ngẫu nhiên, nhằm xác định các hàm phân bố biên độ ứng suất tương đương với các quá trình ngẫu nhiên đã được biết đến về mức độ hư hỏng mỏi.
Các phương pháp nghiên cứu bao gồm phương pháp các cực đại, phương pháp các cực trị, phương pháp các biên độ toàn phần và phương pháp các chu trình toàn phần với nhiều biến thể khác nhau Tất cả các phương pháp này thường mang lại kết quả chính xác cho các quá trình dải hẹp, nhưng đối với các quá trình dải rộng, kết quả có thể không nhất quán và thậm chí có sự khác biệt rõ rệt Trong số đó, phương pháp các chu trình toàn phần được chấp nhận là mang lại kết quả thích hợp nhất.
Phương pháp "mưa" đã trở nên phổ biến gần đây nhờ vào khả năng cho kết quả tương đồng với phương pháp các chu trình toàn phần, đồng thời dễ dàng hơn trong việc lập trình máy tính và tự động hóa xử lý số liệu thực nghiệm về khả năng chịu tải Biểu đồ dao động thể hiện sự thay đổi của các ứng suất theo thời gian, với trục thời gian được bố trí thẳng đứng và trục ứng suất nằm ngang, giúp minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa thời gian và ứng suất.
Hình 2 Xử lý biểu đổ dao động theo phưdng pháp “mưa”
1 Các trị số các biên độ toàn phần các ứng suất (tính theo hình 2)
Ký hiệu bán chu trình ứng suất
Ký hiệu bán chu trình ứng suất
Ký hiệu bán chu trình ứng suất
Ký hiệu bấn chu trình ứng suất
2 Dãy các biên độ các ứng suất (dựng theo phương pháp “mưa”) i t^ai'
Ghi chú: Dãy các biên độ ứng suất được lập theo s ố liệu bảng 1
Giả sử đoạn biểu đồ tương ứng với khối đặt tải, được hiểu là tập hợp các trị số ứng suất biến đổi theo thời gian trong quá trình vận hành, đo bằng kilô mét chạy qua cho các máy vận tải hoặc bằng giờ công Tổng thời gian đến khi xuất hiện vết nứt mỏi L = 1ƠX, trong đó X là số khối đặt tải tính đến khi vết nứt xuất hiện.
Số chu trình trong khối đặt tải vơ và tổng số chu trình đến khi xuất hiện vết nứt Nc có mối quan hệ tỷ lệ với nhau, được thể hiện qua công thức Nc = Ằvơ (5).
Các đường đứt trong hình 2 gợi nhớ đến các tia mưa, được xây dựng theo quy tắc bắt đầu từ các cực trị Tia bắt đầu từ cực tiểu sẽ chảy xuống cho đến khi gặp cực tiểu âm hơn, ví dụ, tia từ cực tiểu 1 chảy xuống đến điểm A đối diện cực tiểu 3’, và dừng lại tại đó Tương tự, tia bắt đầu từ cực đại sẽ chảy đến khi gặp một cực đại nằm bên phải, như tia từ cực đại 1 sẽ dừng lại sau điểm r khi gặp cực đại 3.
Tia sẽ dừng lại khi gặp một tia khác chảy từ "mái" cao hơn Chẳng hạn, tia bắt đầu từ cực tiểu 5’ sẽ dừng lại ở điểm dưới cực đại 5, vì tại đây nó gặp tia chảy xuống từ cực tiểu 3’ qua các điểm 4.
Mỗi phần biểu đồ dao động cần được kết thúc bằng các tia chỉ một lần Sau khi kẻ các tia, ta tiến hành tính toán các bán chu trình tương ứng với biên độ toàn phần của các ứng suất, được xác định bởi điểm bắt đầu và kết thúc của tia Nói một cách khác, biên độ toàn phần tương ứng với một dòng mưa nào đó chính là khoảng cách mà dòng đó đã đi qua.
3 Sự tính xấp xỉ hàm phân bố các biên độ ứng suất T rị s ố t ổ n g c ộ n g củ a th ô n g s ố * 8 è o y— I I
DIY theo phương nằm ngang, với các đường đứt thể hiện trong hình 2, tương ứng với biên độ toàn phần của ứng suất Biên độ toàn phần của ứng suất được xác định bằng biên độ đôi 2ơa.