RU2360227C2

RU2360227C2 - Model for assessing strength of material in combined stress state

Info

Publication number: RU2360227C2
Application number: RU2007127572/28A
Authority: RU
Inventors: Лев Беркович Цвик (RU); Лев Беркович Цвик; Анатолий Петрович Черепанов (RU); Анатолий Петрович Черепанов; Анатолий Александрович Пыхалов (RU); Анатолий Александрович Пыхалов; Максим Анатольевич Храменок (RU); Максим Анатольевич Храменок; Кирилл Анатольевич Кузнецов (RU); Кирилл Анатольевич Кузнецов; Марина Владимировна Шапова (RU); Марина Владимировна Шапова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ангарская нефтехимическая компания" (ОАО "АНХК")
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2007-07-18
Publication date: 2009-06-27
Also published as: RU2007127572A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: proposed model for assessing strength of material in combined stress state is in form of a circular plate, on the opposite sides of which there are grooves, respectively located diametrically and normal to each other. Between surfaces of the grooves, serving as mechanical stress concentrators, there is a bridge of material of the model, located in the central area of the plate. The plate rests on a base. The object is tested using test force, applied perpendicular to its central area (3) on the loading side (2).

EFFECT: simplification of the process of testing the object with mechanical stress concentrators in combined stress state and provision for the required accuracy of assessing strength of the material of the structure at the same time.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к образцам для оценки прочности материалов при сложном напряженном состоянии, и может быть использовано при оценке статической и циклической прочности конструкций с концентраторами механических напряжений, например соединений оболочек с патрубками, широко распространенных в сосудах, реакторах и другом подобном оборудовании.The invention relates to testing equipment, in particular, to samples for assessing the strength of materials in a complex stress state, and can be used to assess the static and cyclic strength of structures with stress concentrators, for example, compounds of shells with nozzles, widely distributed in vessels, reactors, and other similar equipment.

Известно, что прочность материала конструкций при приложении испытательной нагрузки определяется как общим уровнем механических напряжений, так и схемой напряженного состояния, возникающего при нагружении образца. Общий уровень механических напряжений согласно, например, [Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты конструкций на прочность и долговечность. / Справочник. - М.: Машиностроение. - 1981. - 272 с.] характеризуется их интенсивностью σ_i, рассчитываемой по формулеIt is known that the strength of the material of structures upon application of the test load is determined both by the general level of mechanical stresses and by the diagram of the stress state that occurs when the sample is loaded. The general level of mechanical stress according to, for example, [Kogaev V.P., Makhutov N.A., Gusenkov A.P. Design calculations for strength and durability. / Reference. - M.: Mechanical Engineering. - 1981. - 272 S.] is characterized by their intensity σ _i calculated by the formula

где σ₁, σ₂, σ₃ - главные объемные механические напряжения, возникающие в концентраторе образца. Схема напряженного состояния характеризуется величиной коэффициента жесткости напряженного состояния k, вычисляемого по формуле [Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Инженерные методы расчета. - Л.: Машиностроение. - 1968. - 272 с.]where σ ₁ , σ ₂ , σ ₃ are the main volumetric mechanical stresses arising in the concentrator of the sample. The stress state diagram is characterized by the value of the stiffness coefficient k of the stress state, calculated by the formula [Smirnov-Alyaev G.A. The mechanical basis of plastic processing of metals. Engineering calculation methods. - L .: Mechanical engineering. - 1968. - 272 p.]

Как видно из формулы (2), при испытании образца величина коэффициента жесткости напряженного состояния k зависит от соотношения знаков и абсолютных значений величин главных напряжений σ₁, σ₂, σ₃, образующихся в зоне их концентрации. Так, для гладкого призматического одноосно растягиваемого образца имеет место равенство k=1. Возможность переноса результатов, полученных при испытании лабораторных образцов с определенными значениями величин σ_i и k, на оценку прочности конструкции произвольной формы определяется тем, что в соотношения (1) и (2) входят только инварианты напряженного состояния. Для правомерности переноса результатов испытания образца при приближении условий испытания образцов к условиям эксплуатации конструкции при сложном напряженном состоянии необходимо лишь совпадение величин σ_i и k в испытываемом образце и в конструкции, прочность которой оценивается. Численное моделирование полей напряжений с помощью программного средства MSC/Nastran for Windows [Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. - М.: ДМК Пресс, 2001. - 448 с.] показало, что при одноосном растяжении в известных образцах с концентратором в виде канавок различной формы выполняется соотношениеAs can be seen from formula (2), when testing the sample, the value of the stress state rigidity coefficient k depends on the ratio of the signs and the absolute values of the principal stresses σ ₁ , σ ₂ , σ ₃ generated in the zone of their concentration. So, for a smooth prismatic uniaxially stretched sample, the equality k = 1 holds. The possibility of transferring the results obtained when testing laboratory samples with certain values of σ _i and k to the evaluation of the structural strength of an arbitrary shape is determined by the fact that relations (1) and (2) include only stress state invariants. For the legality of the transfer of the test results of the sample when approximating the test conditions of the samples to the operating conditions of the structure with a complex stress state, it is only necessary that the values of σ _i and k in the test sample and in the structure, the strength of which is evaluated, coincide. Numerical simulation of stress fields using the software tool MSC / Nastran for Windows [Shimkovich DG Structural Analysis in MSC / NASTRAN for Windows. - M .: DMK Press, 2001. - 448 p.] Showed that under uniaxial tension in known samples with a hub in the form of grooves of various shapes, the ratio

характеризуемое высоким коэффициентом жесткости напряженного состояния. Величины критерия k зависят от соотношения знаков и абсолютных значений величин главных напряжений σ₁, σ₂, σ₃, причем значения этих величин, лежащие в диапазоне значенийcharacterized by a high coefficient of rigidity of the stress state. The values of the criterion k depend on the ratio of the signs and the absolute values of the values of the principal stresses σ ₁ , σ ₂ , σ ₃ , and the values of these values lying in the range of values

на известных лабораторных образцах для механических испытаний не воспроизводятся. В то же время такие значения возникают, например, на внутренних кромках отверстий патрубковых зон сосудов высокого давления [Цвик Л.Б. Пимштейн П.Г., Борсук Е.Г. Экспериментальное исследование напряженного состояния многослойного цилиндра с монолитным вводом. - Проблемы прочности. - 1978. С.74-77; Модельные исследования и натурная тензометрия энергетических реакторов / Н.А.Махутов, К.В.Фролов, Ю.Г.Драгунов и др. М.: Наука, 2001. - 293 с. - (Серия «Исследование напряжений и прочности ядерных реакторов»)], на контактирующих поверхностях несущих элементов зубчатых передач, на контактирующих поверхностях элементов сборных конструкций, собранных с предварительным натягом. Они возникают и в других случаях, характеризуемых тем, что одно (или два) из трех главных напряжений в материале конструкции в зоне очага ее разрушения является напряжением сжатия, а другие два (или одно) - напряжениями растяжения.on known laboratory samples for mechanical testing are not reproduced. At the same time, such values arise, for example, on the inner edges of the openings of the nozzle zones of pressure vessels [Zvik LB Pimshtein P.G., Borsuk E.G. An experimental study of the stress state of a multilayer cylinder with a monolithic input. - Problems of strength. - 1978. S.74-77; Model studies and full-scale tensometry of power reactors / N.A. Makhutov, K.V. Frolov, Yu.G. Dragunov, etc. M .: Nauka, 2001. - 293 p. - (Series "Study of the stresses and strength of nuclear reactors")], on the contacting surfaces of the bearing elements of gears, on the contacting surfaces of the elements of prefabricated assembled with a preload. They arise in other cases, characterized by the fact that one (or two) of the three main stresses in the material of the structure in the zone of its destruction zone is the compression stress, and the other two (or one) - tensile stresses.

Коэффициент жесткости напряженного состояния в указанном выше диапазоне (4) воспроизводится при силовых воздействиях на испытываемый образец одновременно по различно ориентированным осям. Однако применение такого подхода существенно усложняет процесс испытания известных образцов при сложном напряженном состоянии.The stiffness coefficient of the stress state in the above range (4) is reproduced by force acting on the test specimen simultaneously along differently oriented axes. However, the application of this approach significantly complicates the process of testing known samples in a complex stress state.

Например, известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии, полученный из участка трубы и имеющий крестообразную форму [Описание изобретения к патенту РФ №2091748 на «Способ испытания металла трубы на усталость при двухосном напряженном состоянии (варианты)». МПК G01N 3/32. Опубл. 27.09.1997 г.]. Известный образец имеет концентратор механических напряжений, выполненный в виде полуэллиптического надреза. При испытаниях известного образца использованы силовые воздействия на него по различно ориентированным осям одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Необходимость создания при этом силовых воздействий, изменяющихся в процессе испытаний пропорционально и одновременно по двум перпендикулярным осям, существенно усложняет процесс испытания известного образца указанного типа при сложном напряженном состоянии.For example, a sample is known for evaluating the strength of a material under a complex stress state, obtained from a pipe section and having a cross shape [Description of the invention to RF patent No. 2091748 for “Method for testing pipe metal fatigue in a biaxial stressed state (options)”. IPC G01N 3/32. Publ. September 27, 1997]. The known sample has a stress concentrator made in the form of a semi-elliptical notch. When testing a known sample used force on it in differently oriented axes simultaneously in two mutually perpendicular directions. The need to create at the same time force effects that vary during the tests proportionally and simultaneously along two perpendicular axes, significantly complicates the process of testing a known specimen of this type in a complex stress state.

Известен также образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии, выполненный в виде круглой пластины, не имеющей концентраторов механических напряжений. Известный образец используется при механических испытаниях материалов в условиях двухосного растяжения [Описание изобретения к патенту РФ №2057317 на «Способ испытаний образцов материалов в условиях двухосного растяжения». МПК G01N 3/08. Опубл. 27.03.1996 г.]. Использование известного образца при оценке прочности конструкций, в материале которых возникает сложное напряженное состояние, характеризуемое главными напряжениями разных знаков, не обеспечивает необходимой точности оценки. Это связано с тем, что главные напряжения в известном образце указанного типа имеют одинаковые знаки или равны нулю, поскольку в нем отсутствуют концентраторы напряжений.Also known is a sample for assessing the strength of a material under a complex stress state, made in the form of a round plate that does not have stress concentrators. A known sample is used for mechanical testing of materials under biaxial tension [Description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 2057317 on the “Method of testing samples of materials under biaxial tension”. IPC G01N 3/08. Publ. March 27, 1996]. The use of a known sample in assessing the strength of structures in the material of which a complex stress state occurs, characterized by the main stresses of different signs, does not provide the necessary accuracy of the assessment. This is due to the fact that the main stresses in a known sample of the indicated type have the same signs or are equal to zero, since there are no stress concentrators in it.

Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии. Образец имеет форму прямоугольной пластины с концентраторами механических напряжений, выполненных в виде U-образных вырезов одинакового размера и конфигурации, расположенных на узких противоположных сторонах (ребрах) пластины, [ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости. М., ИКП Издательство стандартов, 2004. Стр. 8, 46, чертеж 11]. Использование таких известных образцов при оценке прочности конструкций, в материале которых возникает сложное напряженное состояние, характеризуемое главными напряжениями разных знаков, не обеспечивает необходимой точности оценки. Это связано с тем, что главные напряжения в известных образцах такого типа имеют в зоне концентратора напряжений (рабочей зоне, контрольной зоне) одинаковые знаки или равны нулю, поскольку U-образные вырезы размещены симметрично и имеют одинаковые размеры и конфигурацию.A known sample for assessing the strength of the material in a complex stress state. The sample has the shape of a rectangular plate with stress concentrators, made in the form of U-shaped cuts of the same size and configuration, located on narrow opposite sides (ribs) of the plate, [GOST 25.504-82. Calculations and strength tests. Methods for calculating the characteristics of fatigue resistance. M., IKP Standards Publishing House, 2004. p. 8, 46, drawing 11]. The use of such well-known samples in assessing the strength of structures in the material of which a complex stress state occurs, characterized by the main stresses of different signs, does not provide the necessary accuracy of the assessment. This is due to the fact that the main stresses in known samples of this type have the same signs in the zone of the stress concentrator (working zone, control zone) or are equal to zero, since the U-shaped cuts are placed symmetrically and have the same dimensions and configuration.

Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии, принятый в качестве прототипа, [Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1174820 на «Призматический образец для оценки прочности материала», МПК G01N 3/00. Опубл. 23.08.1985 г. БИ №31]. Известный образец используется в условиях совместного действия нормальных и касательных напряжений. На противоположных широких сторонах (гранях) известного образца имеются концентраторы механических напряжений, выполненные в виде двух одинаковых U-образных имеющих плоскость симметрии канавок (надрезов), расположенных параллельно одна другой и направленных под острым углом к узкой стороне (ребру) образца с образованием между поверхностями канавок перемычки материала образца. При циклических испытаниях в этом случае рабочими зонами являются поверхности канавок в местах минимальной толщины перемычки. Глубина канавок выбрана такой, чтобы площадь сечения образца вдоль них была меньше площади поперечного сечения образца в зоне без канавок. Оценку прочности материала производят при испытании образца на растяжение с учетом величины разрушающего усилия и характера разрушения. Недостаток такого образца состоит в том, что при испытании в образце, из-за одинаковых размеров и конфигурации канавок, главные напряжения в рабочей зоне концентратора механических напряжений имеют одинаковые знаки или равны нулю. Поэтому использование известного образца указанного типа для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии, характеризуемом главными напряжениями разных знаков, с учетом приближения условий испытания образца к условиям эксплуатации конструкций, имеющих концентраторы механических напряжений в виде, например, соединений оболочек с патрубками, широко распространенных в сосудах, реакторах и другом подобном оборудовании, также не обеспечивает необходимой точности оценки и усложняет процесс испытаний.A known sample for assessing the strength of a material in a difficult stress state, adopted as a prototype, [Description of the invention to the USSR author's certificate No. 1174820 on “Prismatic specimen for assessing the strength of a material”, IPC G01N 3/00. Publ. 08/23/1985, BI No. 31]. A well-known sample is used in conditions of joint action of normal and shear stresses. On the opposite wide sides (faces) of the known sample, there are stress concentrators made in the form of two identical U-shaped grooves (notches) having a plane of symmetry, parallel to one another and directed at an acute angle to the narrow side (edge) of the sample with formation between surfaces jumper grooves of sample material. In cyclic tests in this case, the working areas are the surface of the grooves in places of minimum thickness of the jumper. The depth of the grooves is chosen so that the cross-sectional area of the sample along them is less than the cross-sectional area of the sample in the zone without grooves. Evaluation of the strength of the material is carried out during tensile testing of the specimen taking into account the magnitude of the breaking force and the nature of the fracture. The disadvantage of this sample is that when tested in the sample, due to the same size and configuration of the grooves, the main stresses in the working area of the stress concentrator have the same signs or are equal to zero. Therefore, the use of a known specimen of the indicated type for assessing the strength of a material under a complex stress state characterized by principal stresses of different signs, taking into account the approximation of the test conditions of the specimen to the operating conditions of structures having stress concentrators in the form of, for example, joints of shells with nozzles that are widespread in vessels , reactors and other similar equipment, also does not provide the necessary accuracy of the assessment and complicates the testing process.

Задача настоящего изобретения - упрощение процесса испытания образца с концентраторами механических напряжений при сложном напряженном состоянии и одновременном обеспечении необходимой точности оценки прочности материала конструкции. При этом учитывается, что указанная точность определяется близостью значений коэффициентов жесткости k для напряженного состояния оцениваемой конструкции и для напряженного состояния предлагаемого образца.The objective of the present invention is to simplify the process of testing a sample with stress concentrators with a complex stress state and at the same time ensuring the necessary accuracy of assessing the strength of the material of the structure. It is taken into account that the indicated accuracy is determined by the proximity of the values of the stiffness coefficients k for the stress state of the structure being evaluated and for the stress state of the proposed sample.

Поставленная задача решается тем, что образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии, имеющий две противоположные стороны с размещенными на них концентраторами механических напряжений, выполненными в виде имеющих плоскость симметрии канавок, между поверхностями которых имеется перемычка материала образца, согласно изобретению выполнен в форме круглой пластины, нагружаемой испытательным усилием, приложенным к центральной зоне пластины и направленным перпендикулярно к одной из ее сторон, являющейся стороной нагружения, противоположная сторона круглой пластины является стороной опирания, канавки ориентированы диаметрально и направлены под прямым углом одна относительно другой, при этом перемычка материала образца расположена в центральной зоне круглой пластины, а толщина перемычки материала образца между поверхностями канавок составляет не более одной четверти ширины канавки, размещенной на стороне нагружения круглой пластины.The problem is solved in that the sample for assessing the strength of the material in a complex stress state, having two opposite sides with stress concentrators placed on them, made in the form of grooves having a plane of symmetry, between the surfaces of which there is a bridge of sample material, according to the invention is made in the form of a round plate loaded with a test force applied to the central zone of the plate and directed perpendicular to one of its sides, which is the side loading, the opposite side of the round plate is the supporting side, the grooves are oriented diametrically and directed at right angles to one another, while the bulkhead of the sample material is located in the central zone of the round plate, and the thickness of the bulkhead of the sample material between the surfaces of the grooves is not more than one quarter of the width of the groove, placed on the loading side of the round plate.

Канавки могут иметь U-, или V-, или Т-образный профиль сечения. Поверхность канавки, размещенной на стороне опирания, может иметь форму поверхности вращения, центр которой - точка пересечения плоскости симметрии канавки с осью вращения поверхности канавки - лежит на оси вращения круглой пластины, при этом плоскость симметрии поверхности вращения расположена перпендикулярно плоскости круглой пластины, а поперечное сечение этой поверхности вращения имеет U-, или V-, или Т-образную форму.The grooves may have a U- or V- or T-sectional profile. The surface of the groove located on the supporting side may have the shape of a rotation surface, the center of which - the point of intersection of the symmetry plane of the groove with the axis of rotation of the groove surface - lies on the axis of rotation of the round plate, while the plane of symmetry of the surface of rotation is perpendicular to the plane of the round plate, and the cross section This surface of rotation has a U- or V- or T-shape.

Технический результат изобретения выражается в обеспечении возможности изменять коэффициент жесткости напряженного состояния в перемычке в широком диапазоне за счет изменения толщины пластины образца, а также изменения соотношения ширин и глубин канавок на стороне нагружения и на стороне опирания образца, что позволяет создать напряженное состояние, характеризуемое значениями коэффициента жесткости k, лежащими в диапазоне 0,2<k<0,8.The technical result of the invention is expressed in the ability to change the stiffness coefficient of the stress state in the jumper in a wide range by changing the thickness of the sample plate, as well as changing the ratio of the width and depth of the grooves on the loading side and on the supporting side of the sample, which allows you to create a stress state characterized by the values of the coefficient stiffness k lying in the range 0.2 <k <0.8.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично показан общий вид образца со стороны нагружения; на фиг.2 - поперечный разрез образца по линии А-А на фиг.1 с канавкой, имеющей U-образный профиль сечения и размещенной на стороне нагружения пластины; на фиг.3 - поперечный разрез образца по линии Б-Б на фиг.1 с канавкой, имеющей U-образный профиль сечения и размещенной на стороне опирания пластины; на фиг.4 - четвертая часть образца в аксонометрической проекции с канавками и перемычкой; на фиг.5 - четвертая часть пластины образца в аксонометрической проекции с продольным разрезом канавки, размещенной на стороне опирания пластины, поверхность канавки имеет форму поверхности вращения, а поперечное сечение этой поверхности имеет U-образную форму; на фиг.6 - четвертая часть пластины образца в аксонометрической проекции с продольным разрезом канавки, размещенной на стороне опирания пластины, поверхность канавки имеет форму поверхности вращения, а поперечное сечение этой поверхности имеет V-образную форму.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows a General view of the sample from the load side; figure 2 is a transverse section of the sample along the line aa in figure 1 with a groove having a U-shaped sectional profile and placed on the loading side of the plate; figure 3 is a transverse section of the sample along the line BB in figure 1 with a groove having a U-shaped sectional profile and placed on the supporting side of the plate; figure 4 - the fourth part of the sample in axonometric projection with grooves and a jumper; figure 5 - the fourth part of the sample plate in a perspective view with a longitudinal section of a groove located on the supporting side of the plate, the surface of the groove has the shape of a surface of revolution, and the cross section of this surface has a U-shape; in Fig.6 - the fourth part of the sample plate in a perspective view with a longitudinal section of a groove located on the supporting side of the plate, the surface of the groove has the shape of a surface of revolution, and the cross section of this surface has a V-shape.

Предлагаемый образец выполнен в форме круглой пластины 1. Одна из сторон этой пластины 1 (в данном примере - верхняя) является стороной 2 нагружения и имеет центральную зону 3, на которую в процессе испытаний действует испытательное усилие (направление действия усилия показано стрелкой 4). Противоположная сторона пластины 1 (в данном примере - нижняя) является стороной 5 опирания, которая своим наружным краем опирается на неподвижное основание 6. На верхней стороне 2 нагружения выполнена канавка 7, на нижней стороне 5 выполнена канавка 8. Канавки 7 и 8 являются концентраторами механических напряжений и могут иметь U-, или V-, или Т-образный профиль поперечного сечения. Каждая канавка 7 и 8 имеет плоскость симметрии 9 и 10 соответственно. Кроме того, поверхность канавки 8, размещенной на стороне 5 опирания, может иметь форму поверхности вращения 11, центр которой - точка С - точка пересечения плоскости 10 - плоскости симметрии канавки 8 с осью 12 - осью вращения поверхности 11 канавки 8 - лежит на оси 13 - оси вращения круглой пластины 1. При этом плоскость 10 - плоскость симметрии поверхности вращения 11 (фиг.6) - расположена перпендикулярно плоскости 14 - плоскости круглой пластины 1, а поперечное сечение этой поверхности вращения 11 может иметь U-, или V-, или T-образную форму (на фиг.5, в частности, U-образную форму; на фиг.6, в частности, V-образную форму). Канавки 7 и 8 ориентированы на пластине 1 диаметрально. Канавка 7, размещенная на стороне 2 нагружения, направлена под прямым углом относительно канавки 8, размещенной на стороне 5 опирания. Глубина канавок 7 и 8 выполнена такой, что между их поверхностями образована перемычка 15 материала образца, расположенная в центральной зоне 3 круглой пластины 1. Толщина S этой перемычки 15 между поверхностями канавок 7 и 8 составляет не более одной четверти ширины t канавки 7 (см. фиг.2 и 3), размещенной на стороне 2 нагружения круглой пластины 1. Таким образом, перемычке 15 и поверхностям канавок 8 и 7 соответственно одновременно принадлежат точки А и В (см. фиг.4-6). Рабочей зоной образца в этом случае является поверхность канавки 8 стороны 5 опирания в месте наименьшей толщины перемычки 15.The proposed sample is made in the form of a round plate 1. One of the sides of this plate 1 (in this example, the upper one) is the loading side 2 and has a central zone 3 on which the test force acts during the tests (the direction of the force is shown by arrow 4). The opposite side of the plate 1 (the lower one in this example) is the abutment side 5, which rests on its fixed edge on a fixed base 6. A groove 7 is made on the upper side 2 of the load, groove 8 is made on the lower side 5. The grooves 7 and 8 are mechanical concentrators voltages and can have a U- or V- or T-shaped cross-sectional profile. Each groove 7 and 8 has a plane of symmetry 9 and 10, respectively. In addition, the surface of the groove 8 located on the supporting side 5 may have the shape of a rotation surface 11, the center of which is point C — the point of intersection of the plane 10 — the plane of symmetry of the groove 8 with axis 12 — the axis of rotation of the surface 11 of groove 8 — lies on axis 13 - the axis of rotation of the circular plate 1. In this case, the plane 10 — the plane of symmetry of the surface of revolution 11 (FIG. 6) —is perpendicular to the plane 14 — the plane of the circular plate 1, and the cross section of this surface of revolution 11 can have U-, or V-, or T-shape (figure 5, in particular and, U-shaped; FIG. 6, in particular, V-shaped). The grooves 7 and 8 are oriented diametrically on the plate 1. The groove 7 located on the loading side 2 is directed at right angles to the groove 8 located on the supporting side 5. The depth of the grooves 7 and 8 is such that a jumper 15 of sample material is formed between their surfaces located in the central zone 3 of the round plate 1. The thickness S of this jumper 15 between the surfaces of the grooves 7 and 8 is not more than one quarter of the width t of the groove 7 (see 2 and 3) located on the loading side 2 of the round plate 1. Thus, the jumper 15 and the surfaces of the grooves 8 and 7, respectively, simultaneously belong to points A and B (see FIGS. 4-6). The working area of the sample in this case is the surface of the groove 8 of the abutment side 5 in the place of the smallest thickness of the jumper 15.

Смысл использования канавки 8, имеющей форму поверхностей вращения (например, форму поверхности тора), двоякий. Во-первых, их форма технологична - она может быть образована поступательным движением вдоль оси 13 фрезы, которая вращается в плоскости 10 (см. фиг.6). Во-вторых, применение указанных форм канавки 8 позволяет, как показывают вычислительные эксперименты, создавать более мягкие схемы напряженного состояния, возникающего в рабочей зоне образца (в зоне точки А, показанной на фиг.4-6). Это существенно при моделировании напряженного состояния ряда реальных конструкций, в частности патрубковых зон сосудов давления.The meaning of using a groove 8 having the shape of surfaces of revolution (for example, the shape of the surface of a torus) is twofold. Firstly, their shape is technological - it can be formed by translational movement along the axis 13 of the cutter, which rotates in the plane 10 (see Fig.6). Secondly, the use of these forms of grooves 8 allows, as computational experiments show, to create softer schemes of the stress state that occurs in the working area of the sample (in the area of point A, shown in Figs. 4-6). This is essential when modeling the stress state of a number of real structures, in particular the pipe zones of pressure vessels.

Предлагаемый образец деформируется в процессе испытаний следующим образом. Пластина 1 при проведении механических испытаний опирается наружным краем своей стороны 5 опирания на неподвижное основание 6. Испытательное усилие в данном примере направлено сверху вниз перпендикулярно стороне нагружения 2 образца и приложено к центральной зоне 3 (направление действия усилия показано стрелкой 4). В результате действия испытательного усилия пластина 1 изгибается, и в точках А и В перемычки 15 возникают нормальные напряжения. Как показали результаты численного моделирования, при воздействии испытательного усилия, направленного по стрелке 4, в точке А возникают нормальные напряжения, действующие перпендикулярно оси канавки 8, являющиеся положительными главными напряжениями σ₁ (напряжениями растяжения). При этом при толщине АВ перемычки 15, не превышающей ¹/₄ средней ширины t канавки 7, нормальные напряжения, возникающие в точке А и действующие вдоль направления канавки 8, то есть главные напряжения σ₃ в точке А, являются отрицательными. Напряжения σ₂ в точке А (напряжения в направлении нормали к поверхности канавки 8) равны нулю.The proposed sample is deformed during testing as follows. During mechanical tests, the plate 1 is supported by the outer edge of its supporting side 5 on a fixed base 6. The test force in this example is directed from top to bottom perpendicular to the loading side 2 of the sample and applied to the central zone 3 (the direction of the force is shown by arrow 4). As a result of the test force, the plate 1 bends and normal stresses occur at points A and B of the jumper 15. As the results of numerical modeling showed, under the influence of the test force directed along arrow 4, normal stresses arise at point A, acting perpendicular to the axis of the groove 8, which are positive principal stresses σ ₁ (tensile stresses). Thus when the thickness AB webs 15 not exceeding ^_1/4 of average width t of the groove 7, the normal stresses that occur at point A and existing along the direction of the groove 8, i.e. the principal stresses σ ₃ at point A, are negative. Stresses σ ₂ at point A (stresses in the direction normal to the surface of the groove 8) are equal to zero.

Описанный эффект связан со следующим. Рассмотрим круглый плоский образец без канавок, нагруженный аналогично рассмотренному выше образцу с канавками 7 и 8. Возникающие в такой круглой осесимметрично изгибаемой пластине 1 радиальные напряжения в точках, лежащих на оси 13 вращения пластины 1 и расположенных между нейтральной (срединной) поверхностью пластины 1 и поверхностью центральной зоны 3 на стороне 2 нагружения, являются напряжениями сжатия. Радиальные напряжения в точках, лежащих на оси 13 вращения пластины 1 с противоположной стороны от нейтральной поверхности пластины 1, являются напряжениями растяжения. Создадим в пластине 1 две диаметрально ориентированные и направленные под прямым углом одна к другой канавки 8 и 7, расположенные соответственно на стороне 5 опирания и стороне 2 нагружения, причем минимальное расстояние АВ между поверхностями канавок 8 и 7 сделаем достаточно малым. Нормальные напряжения, действующие в точке А в направлении, перпендикулярном направлению канавки 8, по-прежнему будут положительными, а уровень их концентрации будет определяться шириной и глубиной канавки 8. В точке В в направлении, перпендикулярном направлению канавки 7 стороны 2 нагружения, или, что то же самое, в направлении канавки 8 стороны 5 опирания, соответственно возникнут нормальные напряжения сжатия (отрицательные нормальные напряжения). Уровень концентрации указанных отрицательных напряжений и размеры этой зоны концентрации будут определяться шириной канавки 7. При этом если канавка 8 стороны 5 опирания достаточно глубока (в этом случае точка А приближается к нейтральной поверхности, где радиальные напряжения растяжения круглой пластины 1 относительно невелики), а ширина t канавки 7 существенно больше, чем минимальное расстояние АВ между поверхностями канавок 7 и 8, то зона концентрации указанных отрицательных нормальных напряжений захватит точку А. Указанная особенность деформирования предлагаемого образца, подтвержденная численным моделированием полей напряжений, возникающих в процессе испытаний, и объясняет различие знаков главных напряжений, создаваемых испытательной нагрузкой в точке А.The described effect is associated with the following. Let us consider a round flat sample without grooves, loaded similarly to the above sample with grooves 7 and 8. The radial stresses arising in such a circular axisymmetrically bent plate 1 at points lying on the rotation axis 13 of the plate 1 and located between the neutral (middle) surface of the plate 1 and the surface the central zone 3 on the load side 2 are compression stresses. Radial stresses at points lying on the axis of rotation 13 of the plate 1 on the opposite side from the neutral surface of the plate 1 are tensile stresses. We create in plate 1 two grooves 8 and 7 that are diametrically oriented and directed at right angles to one another, located respectively on the supporting side 5 and loading side 2, and we will make the minimum distance AB between the surfaces of the grooves 8 and 7 small enough. The normal stresses acting at point A in the direction perpendicular to the direction of the groove 8 will still be positive, and their concentration level will be determined by the width and depth of the groove 8. At point B in the direction perpendicular to the groove 7 of the load side 2, or, what the same, in the direction of the groove 8 of the supporting side 5, respectively, normal compression stresses (negative normal stresses) arise. The concentration level of the indicated negative stresses and the dimensions of this concentration zone will be determined by the width of the groove 7. Moreover, if the groove 8 of the supporting side 5 is deep enough (in this case, point A approaches the neutral surface, where the radial tensile stresses of the round plate 1 are relatively small) and the width t of the groove 7 is significantly larger than the minimum distance AB between the surfaces of the grooves 7 and 8, then the concentration zone of these negative normal stresses will capture point A. The specified feature Deformation of the proposed sample confirmed by numerical simulation of stress fields arising during the test, and explains the difference signs principal stresses generated in the test load point A.

Перекрестное расположение канавок 7 и 8, варьирование их глубиной, шириной, а также выбор профиля их сечения (U-, или V-, или Т-образного) дает возможность в перемычке 15 изменять коэффициент жесткости k напряженного состояния в широком диапазоне. Численное моделирование напряженного состояния рассматриваемого образца показало, что при минимальной толщине перемычки 15 между поверхностями канавок 7 и 8, не превышающей ¹/₄ средней ширины t канавки 7, в процессе испытаний в точке А рабочей зоны образца создается напряженное состояние, характеризуемое значениями коэффициента жесткости k, лежащими в диапазоне 0,2<k<0,8.Cross-location of grooves 7 and 8, varying their depth, width, as well as the choice of their cross-sectional profile (U-, or V-, or T-shaped) makes it possible in jumper 15 to change the stiffness coefficient k of the stress state in a wide range. Numerical modeling of the stress state of the treated sample showed that the minimum thickness of the webs 15 between the groove surfaces 7 and 8, does not exceed ^_1/4 of average width t of the groove 7, during the tests at the point A specimen work zone is created the state of stress, characterized by the values of the coefficient k stiffness lying in the range of 0.2 <k <0.8.

Предложенный образец по сравнению с прототипом дает возможность упростить процесс испытаний за счет исключения использования нескольких одновременно действующих испытательных усилий, ориентированных по различным осям. При этом нагрузки, прилагаемые по различно ориентированным осям, могут быть заменены одной нагрузкой, направленной перпендикулярно плоскости изгибаемого плоского круглого образца. Это обстоятельство позволяет существенно упростить процесс испытаний при одновременном обеспечении высокой точности оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии, определяемой близостью соответствующих значений коэффициентов k в оцениваемой конструкции и в предложенном образце.The proposed sample in comparison with the prototype makes it possible to simplify the test process by eliminating the use of several simultaneously operating test efforts oriented on different axes. In this case, the loads applied along differently oriented axes can be replaced by a single load directed perpendicular to the plane of the bending flat circular specimen. This circumstance allows us to significantly simplify the testing process while ensuring high accuracy in evaluating the strength of the material under a complex stress state, which is determined by the proximity of the corresponding values of the coefficients k in the structure being evaluated and in the proposed sample.

Claims

1. A sample for assessing the strength of a material under a complex stress state, having two opposite sides with stress concentrators placed on them, made in the form of grooves having a plane of symmetry, between the surfaces of which there is a bulkhead of the sample material, characterized in that the sample is made in the form of a round plate loaded by a test force applied to the central zone of the plate and directed perpendicular to one of its sides, which is the loading side, opposite the side of the round plate is the supporting side, the grooves are oriented diametrically and directed at right angles to one another, while the jumper of the sample material is located in the central zone of the round plate, and the thickness of the jumper of the material of the sample between the surfaces of the grooves is not more than one quarter of the width of the groove placed on the side loading a round plate.

2. The sample according to claim 1, characterized in that the grooves have a U-, or V-, or T-shaped section profile.

3. The sample according to claim 1, characterized in that the surface of the groove located on the supporting side has the shape of a rotation surface, the center of which is the point of intersection of the plane of symmetry of the groove with the axis of rotation of the surface of the groove, lies on the axis of rotation of the round plate, while the plane of symmetry the surface of rotation is perpendicular to the plane of the circular plate, and the cross section of this surface has a U-, or V-, or T-shape.