Запас усталостной прочности и его определение

Сначала построим диаграмму усталостной прочности (часто для простоты рассуждений предельную линию представляют в виде прямой) и покажем на ней рабочую точку М цикла (с координатами s_m и s_а ) в случае, если рассматриваемый элемент испытывает только простое растяжение и сжатие (рис. 10.9).

Рассмотрим все те циклы, рабочие точки которых лежат на одной прямой (рис. 10.9) и для которых справедливо выражение s_а = s_m × tga. В этом случае

где R - коэффициент асимметрии цикла.

Отсюда можно сделать вывод, что все подобные циклы лежат на одной прямой. Тогда под запасом усталостной прочности будем понимать отношение отрезка ON к отрезку OM (рис. 10.9):

, (10.9)

где точка M соответствует действующему циклу, а точка N получается вследствие пересечения предельной прямой и продолжения отрезка OM.

Это отношение характеризует степень близости рабочих условий к предельным для данного материала. В частном случае при постоянных статических нагрузках s_а = 0 данное определение запаса прочности совпадает с обычным.

Для определения (т.е. в ситуации, когда действуют лишь нормальные напря-

Рис. 10.9 жения) в инженерной практике применя-

ется как графический, так и аналитический способ. При графическом способе строго по масштабу строится диаграмма предельных напряжений в системе координат s_а и s_m . Далее на этой диаграмме наносится рабочая точка и определяется отношение величин отрезка ON и OM.

Для определения расчетных зависимостей для воспользуемся условием подобия треугольников OND и OMK и получим:

. (10.10)

Полученный коэффициент запаса соответствует идеальному образцу. Реальная же его величина зависит, как отмечалось выше, от геометрии, размеров и состояния поверхности образца, учитываемых коэффициентами К_-1, e_s и b соответственно. Для этого необходимо предел усталости при симметричном нагружении уменьшить в раз, или, что то же самое, амплитудное напряжение цикла увеличить в раз. И тогда (10.10) принимает вид:

, (10.11)

где

. (10.12)

Аналогичным образом могут быть получены соотношения усталостной прочности и при чистом сдвиге. Эксперименты показывают, что диаграмма усталостной прочности для сдвига заметно отличается от прямой линии, свойственной простому растяжению-сжатию, и имеет вид кривой. В первом приближении эту кривую в координатных осях t_a , t_m можно представить в виде двух наклонных, как это изображено на рис. 10.10. Причем если одна из них (ближняя к оси ординат) соответствует разрушению образца вследствие усталостных явлений, то другая - по причине наступления пластического состояния.

Рис. 10.10

В данном случае расчетная формула для записывается в виде

, (10.13)

где - эмпирическая величина, определенная на основе обработки экспериментальных данных.

При сложном напряженном состоянии, т.е. если в рабочей точке при действии внешних нагрузок одновременно возникают как нормальные, так и касательные напряжения, для вычисления n_R применяется следующая приближенная формула:

, (10.14)

где n_R - искомый коэффициент запаса усталостной прочности;

- коэффициент запаса усталостной прочности в предположении, что касательные напряжения в рабочей точке отсутствуют;

- коэффициент запаса прочности по усталости при предположении, что в рабочей точке нормальные напряжения отсутствуют.

Резюмируя, заметим, что в настоящее время в связи с тем, что физические основы теории твердого деформируемого тела недостаточно развиты, многие предпосылки современной теории усталостной прочности базируются на эмпирической основе. Отсутствие твердых предпосылок в теории выносливости в современном виде лишает ее нужной строгости. Так как полученные эмпирические зависимости не универсальны, сами результаты расчетов являются достаточно приближенными. Однако указанные приближения оказываются допустимыми для решения инженерных задач.