Расчет на циклическую прочность: локальное превышение предела выносливости. Многоцикловая усталость.

[Jesse 963]

За прошедшее десятилетие (ухх, как же время летит!) уже были вопросы про локальные пластические деформации в статическом расчете и про локальные формы потери устойчивости.
В обоих случаях на все эти "локальности" можно подзабить. В первом случае у меня даже шаблонная фразочка есть, которую я в отчёты вставляю, ссылаясь на ГОСТ Р 57700.10-2018.

Цитата

Эти значения обусловлены так называемой сингулярностью напряжений ввиду характера приложения граничных условий и наличия острых углов, причём согласно п.5.6 [1] указанные напряжения можно проигнорировать после проведения соответствующей инженерной оценки.

Это всё хорошо. Но что у нас с цикликой?
К примеру, есть вал насоса, который в процессе работы изгибается. В валу есть шпоночные отверствия, всякие переходы вплоть до радиуса R=0.25 мм и прочая мелкая ересь, где развиваются большие напряжения, превышающие предел выносливости материала.. В то время как в основной толще материала напряжения на порядок меньше предела выносливости и там всё ок.
Как быть в этой ситуации? Ведь разрушение в процессе многоцикловой усталости происходит в результате зарождения и роста микротрещин. То есть по идее в этом радиусе R=0.25 мм трещинка пойдёт и разрушит весь весь вал за условные 10^12 циклов?

Или не разрушит? Если не разрушит, то как обосновать, что не разрушит?

С точки зрения физики/МДТТ мы знаем, что в статике у пластичного материала в малой области превысится предел текучести, появится небольшая область течения, и на этом всё. "Пластика" дальше не пойдёт. МОжно даже просчитать и проверить для успокоения души, что пластических шарниров не будет.

Но в многоцикловой усталости мы ничего расчетом проверить не можем как все эти "неприятные локальности" себя поведут за 10^12 циклов. Только кривые Веллера и т.п. Ну и результаты упругого расчета..

 

Какой эмпирико-нормативный опыт есть у человечества, чтоб показать, что разрушения и катастрофического роста трещины НЕ произойдёт за большое кол-во циклов, если в небольшом объеме материала по результатам упругого расчета напряжения превышают предел выносливости?

[Orchestra2603 233]

12 minutes ago, Fedor said:

Амбиции без подходящей амуниции  знаний

А какая амуниция подходящая? Между строк читается посыл "все вокруг дураки, а вот я...". Знаний, как денег, всегда не хватает. Сами же знаете, чем больше ищешь ответов, тем больше находишь вопросов. Люди, которые утвержадают, что знают все в какой-то области, чаще всего либо только в начале своего пути, либо имеют психиатрические проблемы.

 

16 minutes ago, Fedor said:

что за идеи имеете ввиду ?  :) 

Да, я вообще, в широком смысле. В данном случае про сплошность. В задачах, где нужно моделировать фрагментацию материала при разрушении (а такие, поверьте встречаются), очень даже полезны штуки типа периданамики, например. Есть целый аппарат всяких разных методов, которые нацелены на то, чтобы построить эквивалентную "сплошную" модель, как-то хитро учтя всякие разрывы сплошности либо энергетически, либо вводя всякие "масштабы" (см. методы гомогенизации). Есть бессеточные численные методы, где все сводится к движению виртуальных "частиц". Механика разрушения тоже к этому причастна, вообе говоря. Есть очень много всего. Мир вообще очень разнообразный и интересный! И поверьте, "если звезды зажигают, значит это кому-то нужно". Не просто для галочки или степени, а потому что это помогает решать определенные задачи, которые по-другому либо очень тяжело решать, либо вообще никак. Вы почему-то это регулярно обесцениваете. Легким движением руки сливаете все в унитаз.

 

[Fedor 1 610]

Цитата

которые нацелены на то, чтобы построить эквивалентную "сплошную" модель, как-то хитро учтя всякие разрывы сплошности 

это давно решено в железобетоне .  Без всяких хитростей считается :) 

 

Конечно нужно ради степеней со статусами, насколько помню.  Тут форум инженеров, то есть прагматиков, нацеленных на реальный результат.  Механика дает нам левую цифру в неравенстве, теории прочности дают правую цифру. Вот и все что нужно для принятия решения.   https://ru.wikipedia.org/wiki/Гомогенизация   А вот это не помогает в этом.  От ершей , по ученому коктейлей, только головные боли :) 

[Fedor 1 610]

Цитата

Термин «гомогенизация» также используется в разделе строительной механики сопротивление материалов для расчёта композитных материалов, например каменной кладки, которая состоит из кладочных элементов (кирпичей, камней, блоков) и строительного раствора. При гомогенизации композитный материал заменяется условно однородным (гомогенным), физические характеристики которого интегрально совпадают с реальным материалом.

Со времен фараонов смешивают. Нашли, блин, новизну :):):) 

[Orchestra2603 233]

10 minutes ago, Fedor said:

это давно решено в железобетоне

В мире все сделано из железобетона? Думаете, больше нечего решать?

 

10 minutes ago, Fedor said:

Конечно нужно ради степеней со статусами, насколько помню.  Тут форум инженеров, то есть прагматиков, нацеленных на реальный результат.  Механика дает нам левую цифру в неравенстве, теории прочности дают правую цифру. Вот и все что нужно для принятия решения

Вы очень узко мыслите! В этом проблема. Зачем вам тогда МКЭ, например? И до него прекрасно все считали. Что не знаем - все в запас.

 

Какую-то цифру с какой-то степенью неопределенность всегда можно получить. И в левой, и в правой части. Смысл в том, чтобы сократить эту неопределенность. Чтобы сделать лучше. В этом и есть фундаментальная разница. Ничего нет зазорного в том, чтобы делать "на коленке" и закрыть вопрос по-быстрому. Но если есть люди, у которых такой вот перфекционизм, и они хотят посвятить себя тому, чтобы искать способы сделать что-то лучше, то почему их за это нужно мокать в говно? 

9 minutes ago, Fedor said:

Со времен фараонов смешивают. Нашли, блин, новизну :):):) 

Вы даже не на то сслыку даете! Это про гомогенизацию в химии, а не в механике...Фараон, блин.

Гляньте здесь, например: https://www.comsol.com/support/learning-center/article/80311#:~:text=Homogenization methods find the effective,microstructure and its macroscopic behavior.

[Fedor 1 610]

Цитата

Вы очень узко мыслите! В этом проблема. Зачем вам тогда МКЭ, например?

Когда-то писал такие программки из любопытства. Математического   www.pinega3.narod.ru .  Почему-то дома легко попадаю на сайт, а на работе нет     :) 

[Fedor 1 610]

Цитата

Думаете, больше нечего решать?

Любители новизны с актуальностью ищут :) 

[Orchestra2603 233]

16 minutes ago, Fedor said:

Любители новизны с актуальностью ищут :) 

Вы любитель старины и ненужности? А что вы ищете?

[Fedor 1 610]

Истину. А она как известно  в вине :) 

[Борман 2 389]

 

[Jesse 963]

Цитата

Основным методом предотвращения усталостного разрушения является модификация конструкции механизма с целью исключения циклических нагрузок, либо замена материалов на менее склонные к усталостному разрушению. Значительное увеличение выносливости даёт химико-термическая обработка металлов, например, поверхностное азотирование.
Газотермическое напыление, особенно высокоскоростное газопламенное напыление, создаёт напряжение сжатия в покрытии материала и способствует снижению склонности деталей к усталостному разрушению.

 

[Fedor 1 610]

Цитата

создаёт напряжение сжатия в покрытии материала и способствует снижению склонности деталей к усталостному разрушению

это делают и азотирование и цементация. Добавляется материал и в итоге получаются напряжения сжатия в концентраторе.  Обычно применяют в зубчатых колесах. 

[Radon 17]

05.06.2024 в 18:24, Jesse сказал:

Господа! Это всё хорошо... но мы слегка отклонились от темы.
Так какую в итоге стратегию мне выбирать при расчёте?

Пока что вижу самый простой и надёжный вариант в лоб - чтоб хотя бы там где есть сходимость по упругим напряжениям, взять эти напряжения и их уже сравнивать с пределами выносливости (по идее это итак сильно в запас, т.к. как выше говорили испытания на усталость проводят с идеально гладкими образцами, а я смотрю напряжения в концентраторе).
 Там где сходимости нет - забиваем, или смотрим на средне-грубой сетке.

з.ы.: В мех. разрушения времени лезть нету) да и это, чувствую, только породит у заказчика массу иных вопросов...

При наличии явно выраженных циклов можно считать по формуле Мэнсона, даже если попадает в пластику. Правда если пластика есть лучше 3-5 раз прогнать расчёт чтоб она выбрала упрочнения, иначе размах будет некорректен.

Вообще сейчас 2 подхода:

1 - расчёт раскрытия и развития трещины

2 - расчёт по кривым усталости

И да, если трещина, то это малоцикловая усталость, при многоцикловой трещина не расчёт, это хорошо видно на сломе, при МЦУ видны кольца, 1 цикл одно кольцо.

 

1 минуту назад, Fedor сказал:

это делают и азотирование и цементация. Добавляется материал и в итоге получаются напряжения сжатия в концентраторе.  Обычно применяют в зубчатых колесах. 

Да это где только не делают, дробеструйка и галтовка - туда же, заневоливание пружин, тоже про это. Основной смысл уменьшить размах деформаций и напряжений при работе

[Jesse 963]

1 час назад, Radon сказал:

И да, если трещина, то это малоцикловая усталость, при многоцикловой трещина не расчёт, это хорошо видно на сломе, при МЦУ видны кольца, 1 цикл одно кольцо.

имхо вы чего-то путаете... Малоцикловая усталость - это про разрушение путём накопления пластических деформаций (беглый гуглинг показал, что формула Мэнсона относится именно к этому типу усталости).
А многоцикловая усталость - это когда в детали упругие напряжения, но в результате циклических нагрузок образуются и развиваются микротрещинки.

[AlexArt 278]

05.06.2024 в 12:25, AlexArt сказал:

Или у вас методика расчёта неверная или вы чего-то не знаете

 

[Fedor 1 610]

Цитата

Основной смысл уменьшить размах деформаций и напряжений при работе

Наверное все-таки сместить в сторону напряжений сжатия ...  Этого же добиваются при напряжении бетона в строительстве. 

[Orchestra2603 233]

18 hours ago, Jesse said:

А многоцикловая усталость - это когда в детали упругие напряжения, но в результате циклических нагрузок образуются и развиваются микротрещинки.

Ох... надо осторожно)) усталость берется из-за накопления микропластических деформаций. А они всегда есть, даже задолго до достижения предела текучести. Просто до этого предела в циклике дислокации рождаются и аннигилируют, поэтому на макроскопическом уровне процесс выглядит обратимым, т.е. упругим. Но на микро уровне какая-то маленькая часть этих дислокаций сохраняется, и потихоньку это дело накапливается. Кром того, в какой-то момент скопление этих дислокаций вблизи концентратора или трещины начинает менять НДС локально, а это подстегивает еще большее накопление дислокаций и т.д., и т.п.

 

В малоцикловой это происходит все значительно быстрее, поскольку за каждый цикл порождается уже значительное количество дислокаций, и соответственно ждать долго до рарзушения не приходится.

 

Поправьте, если не прав.

[Борман 2 389]

20 часов назад, Orchestra2603 сказал:

Но на микро уровне какая-то маленькая часть этих дислокаций сохраняется, и потихоньку это дело накапливается

Не поправляю, а просто уточняю.

 

 

 

https://vivaldi.nlr.ru/bd000042126/view/?#page=10

 

[Fedor 1 610]

Дислокации это чисто качественный концепт  https://ru.wikipedia.org/wiki/Дислокация_(кристаллография)   не видел прагматичного использования... :)

[Jesse 963]

14.06.2024 в 10:35, Orchestra2603 сказал:

Поправьте, если не прав.

да. Но вы с Борманом ИМХО упускаете ключевую роль трещин
 

Цитата

Усталостное разрушение — разрушение материала под действием повторно-переменных (часто циклических) напряжений. Физические причины усталостного разрушения материалов достаточно сложны и ещё не до конца изучены. Одной из основных причин усталостного разрушения принято считать образование и развитие трещин.

Механизм усталостного разрушения во многом связан с неоднородностью реальной структуры материалов (различие размеров, формы, ориентации соседних зёрен металла, наличие разных включений — шлаков, примесей; дефекты кристаллической решётки, дефекты поверхности материала — царапины, коррозия и т. д.). В связи с указанной неоднородностью при переменных нагрузках на границах отдельных включений и поблизости от микроскопических полостей и разных дефектов возникает концентрация напряжений, которая приводит к микропластичным деформациям сдвига некоторых зёрен металла (при этом на поверхности зёрен могут появляться полосы скольжения) и накопления сдвигов (которые на некоторых материалах проявляется в виде микроскопических выступов и впадин — экструзий и интрузий). Далее происходит развитие сдвигов в микротрещине, их сращивание, на последнем этапе появляется одна или несколько макротрещин, которая достаточно интенсивно развивается (разрастается). Края трещины под действием переменной нагрузки притираются друг к другу, и поэтому зона роста трещины отличается гладкой (полированной) поверхностью. По мере разрастания трещины поперечное сечение детали всё более ослабляется, и, наконец, происходит случайное хрупкое разрушение детали, при этом зона хрупкого излома имеет грубозернистую кристаллическую структуру (как при хрупком разрушении).

Явление изменения механических и физических свойств материалов под действием циклично переменных во времени напряжений и деформаций называют усталостью материала.

 

Вот здесь на картинке видны линии Чернова–Людерса (темная часть) - это пластические деформации.
А всё остальное хрупкий излом.

[Борман 2 389]

Да, про линии Чернова–Людерса я что то не сообразил.