RU2787307C1 - Method for determining the static strength of a complex stressed part outside the zones of contact forces acting on it (variants) - Google Patents

Method for determining the static strength of a complex stressed part outside the zones of contact forces acting on it (variants) Download PDF

Info

Publication number
RU2787307C1
RU2787307C1 RU2022100731A RU2022100731A RU2787307C1 RU 2787307 C1 RU2787307 C1 RU 2787307C1 RU 2022100731 A RU2022100731 A RU 2022100731A RU 2022100731 A RU2022100731 A RU 2022100731A RU 2787307 C1 RU2787307 C1 RU 2787307C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
circles
mohr
boundary
plane
strength
Prior art date
Application number
RU2022100731A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Семенович Коссов
Эдуард Сергеевич Оганьян
Евгений Владимирович Кочетков
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава" (АО "ВНИКТИ")
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава" (АО "ВНИКТИ") filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава" (АО "ВНИКТИ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2787307C1 publication Critical patent/RU2787307C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring technology.
SUBSTANCE: invention relates to methods for determining the strength of complex stressed parts loaded with a system of forces, individual components of which can change asynchronously with respect to each other, and the number of cycles of their loading does not exceed the limit of quasi-static fatigue. Essence: in the Oστ coordinate system, a series of limiting Mohr circles are constructed, which cover various tensors of the limiting plane-stressed states of the part material preceding its static strength limit or the beginning of plasticity. The diameters of these circles are drawn in straight lines parallel to the Oτ axis and a line is drawn around the intersection points of these diameters with the circles bounding the specified Mohr circles. This line is the boundary of the region of the limiting plane-stressed states of the part material. In the experimental construction of such a boundary, the limiting Mohr circles are constructed by creating various tensors of the plane-stressed state in samples from the part material, and in its calculated construction according to formulas accepted as strength hypotheses. Tensors of plane-stressed states that occur at various points of the surface layer of the part during loading are depicted in the coordinate system Oστ in the form of Mohr circles and monitored so that the diameters of these circles drawn in the vertical direction do not go beyond the boundary of the region of the limiting plane-stressed states of the part material. Additionally, the specified reserve of static strength n in the studied area of the surface of the part is determined.
EFFECT: increase in the accuracy of determining the static strength of parts on their surface areas located outside the impact zones of contact forces.
2 cl, 6 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к способам определения прочности сложнонапряженных деталей, нагруженных системой сил, отдельные компоненты которых могут меняться несинхронно по отношению друг к другу, а количество циклов их нагружения не превышает предела квазистатической усталости.The invention relates to methods for determining the strength of complexly stressed parts loaded by a system of forces, the individual components of which can change out of sync with respect to each other, and the number of their loading cycles does not exceed the quasi-static fatigue limit.

Работоспособность детали при количестве циклов нагружения не более 103-104 определяется её статической прочностью [1]. Статическую прочность деталей из пластичных металлов обычно оценивают посредством коэффициента запаса по пределу текучести, а из хрупких металлов - по пределу прочности. Допустимые напряжения назначают с расчетом, чтобы до наступления текучести или разрушения был обеспечен определенный коэффициент запаса n статической прочности.The performance of a part with a number of loading cycles not exceeding 10 3 -10 4 is determined by its static strength [1]. The static strength of parts made of ductile metals is usually evaluated by means of a safety factor for the yield strength, and of brittle metals - by the tensile strength. Permissible stresses are assigned with the expectation that a certain safety factor n of static strength is provided before the onset of yield or fracture.

Наибольшие напряжения вне зон воздействия на деталь контактных сил обычно возникают на поверхности деталей. Это обусловлено тем, что в любом сечении детали по мере приближения к её поверхности напряжения от изгибающих и крутящих моментов достигают наибольших значений. Поэтому разрушение обычно начинается с поверхностного слоя, и статическую прочность детали вне зон воздействия на неё внешних контактных сил обычно можно оценить величиной напряжений на поверхности детали.The greatest stresses outside the zones of action on the part of the contact forces usually occur on the surface of the parts. This is due to the fact that in any section of the part, as it approaches its surface, the stresses from bending and torsional moments reach the highest values. Therefore, destruction usually begins with the surface layer, and the static strength of a part outside the zones of external contact forces on it can usually be estimated by the magnitude of the stresses on the surface of the part.

Вне зон воздействия контактных сил составляющая усилий, направленных перпендикулярно поверхности детали, отсутствует, поэтому напряженное состояние на каждом из участков поверхностного слоя такой детали носит плосконапряженный характер. При несинхронном изменении различных составляющих системы сил, действующих на деталь, отдельные компоненты тензоров плосконапряженного состояния на каждом из участков поверхностного слоя детали изменяются несинхронно по отношению друг к другу. При анализе статической прочности таких участков оценка степени опасности возникающих в них напряженных состояний должна быть выполнена с учетом различного сочетания компонентов тензоров их плосконапряженного состояния.Outside the impact zones of contact forces, there is no component of forces directed perpendicular to the surface of the part; therefore, the stress state in each of the sections of the surface layer of such a part is plane stressed. With an asynchronous change in the various components of the system of forces acting on the part, the individual components of the tensors of the plane stress state in each of the sections of the surface layer of the part change asynchronously with respect to each other. When analyzing the static strength of such sections, the assessment of the degree of danger of the stress states arising in them should be carried out taking into account the various combinations of the components of the tensors of their plane stress state.

Известен способ графической записи изменения тензора двухосных напряжений в рассматриваемой точке поверхности детали [2]. В одном из вариантов указанного способа запись изменения тензора плосконапряженного состояния может быть представлена в виде кругов Мора, последовательно отображаемых вдоль оси Оσ в прямоугольной системе координат Оστ. Такая запись однозначно определяет характер изменения тензора напряжений в исследуемой зоне поверхности детали. Предложенный способ записи изменения двухосных напряжений может быть реализован путем обработки результатов расчета напряжений в детали при последовательно изменяемых схемах её нагружения или путем обработки показаний, экспериментально снимаемых в исследуемой зоне поверхности этой детали трехкомпонентной розеткой тензорезисторов . При этом круги Мора, отображающие тензоры напряжений, у которых напряжения растяжения-сжатия, действующие в плоскости поверхности детали параллельно начально выбранному на ней направлению, имеет алгебраически (с учетом знаков) более высокие значения по сравнению с напряжениями растяжения-сжатия, действующими в той же плоскости в перпендикулярном начально выбранному на поверхности детали направлении, изображают сплошными линиями, а круги, у которых напряжения растяжения-сжатия выше в направлении, перпендикулярном по отношении к начально выбранному, изображают пунктирными линиями.There is a method of graphical recording of changes in the tensor of biaxial stresses at the considered point on the surface of the part [2]. In one of the variants of this method, the record of the change in the plane stress state tensor can be represented as Mohr circles sequentially displayed along the Oσ axis in the rectangular coordinate system Oστ. Such a record unambiguously determines the nature of the change in the stress tensor in the studied area of the part surface. The proposed method for recording the change in biaxial stresses can be implemented by processing the results of calculating the stresses in a part with sequentially changing schemes of its loading or by processing the readings experimentally taken in the investigated area of the surface of this part by a three-component socket of strain gauges. At the same time, Mohr circles, representing stress tensors, in which the tensile-compressive stresses acting in the plane of the part surface parallel to the direction initially chosen on it, have algebraically (taking into account the signs) higher values compared to the tensile-compressive stresses acting in the same direction. planes in the direction perpendicular to the direction initially selected on the surface of the part are shown by solid lines, and circles in which the tensile-compressive stresses are higher in the direction perpendicular to the direction initially selected are shown by dashed lines.

К недостаткам указанного способа следует отнести то, что в нем не указано, как по характеру записи последовательного изменения тензора напряжений в исследуемой зоне поверхности детали определить статическую прочность детали в этой зоне.The disadvantages of this method include the fact that it does not indicate how to determine the static strength of the part in this zone by the nature of the recording of the sequential change in the stress tensor in the studied area of the surface of the part.

Известны следующие способы определения статической прочности детали или её материала при сложном (двух- и трехосном) напряженном состоянии:The following methods are known for determining the static strength of a part or its material in a complex (bi- and triaxial) stress state:

- способ с применением метода Мора;- a method using the Mohr method;

- способы с использованием различных гипотез прочности [3, 4].- methods using various strength hypotheses [3, 4].

Более точную оценку статической прочности сложнонапряженной детали обеспечивает метод Мора [3, 4]. При его применении сначала при различных напряженных состояниях производят испытание материала детали. При этом в испытываемых образцах из материала детали создают определенные соотношения между действующими в них главными напряжениями σ1 и σ3. Далее, не меняя пропорции между указанными главными напряжениями, увеличивают их вплоть до появления текучести или разрушения образца. Зафиксированные при этом предельные величины главных напряжений σ1 и σ3 отображают в прямоугольной системе координат Оστ в виде круга Мора. Производя аналогичные операции при других, доступных для проведения испытаний пропорциях между σ1 и σ3, в прямоугольной системе координат Оστ выполняют построение серии кругов Мора, которые соответствуют исследуемым предельным напряженным состояниям при заданных соотношениях компонентов тензоров напряжений. На построенные таким способом круги Мора наносят огибающую их кривую, которая и определяет границу области предельных напряженных состояний (область статической прочности) рассматриваемого материала детали при различных сочетаниях σ1 и σ3.A more accurate estimate of the static strength of a complexly stressed part is provided by the Mohr method [3, 4]. When it is used, first, under various stress states, the material of the part is tested. In this case, in the tested samples from the material of the part, certain relationships are created between the main stresses σ 1 and σ 3 acting in them. Further, without changing the proportion between the indicated principal stresses, they are increased until the appearance of fluidity or destruction of the sample. The limiting values of the main stresses σ 1 and σ 3 fixed at the same time are displayed in a rectangular coordinate system Оστ in the form of a Mohr circle. Performing similar operations with other proportions between σ 1 and σ 3 available for testing, in a rectangular coordinate system Oστ, a series of Mohr circles are constructed that correspond to the studied limit stress states at given ratios of the stress tensor components. Mohr's circles constructed in this way are enveloping their curve, which determines the boundary of the region of ultimate stress states (region of static strength) of the considered material of the part for various combinations of σ 1 and σ 3 .

После этого в той же прямоугольной системе координат Оστ строят круги Мора, которые при каждом из рассматриваемых вариантов нагружения исследуемой детали отображают возникающие в ней тензоры напряжений, действующие в плоскости главных напряжений σ1 и σ3. При этом если каждый из этих кругов находится внутри области допускаемых напряженных состояний, то статическая прочность детали в исследуемой зоне обеспечена.After that, in the same rectangular coordinate system Oστ, Mohr circles are built, which, for each of the considered options for loading the studied part, display the stress tensors arising in it, acting in the plane of principal stresses σ 1 and σ 3 . Moreover, if each of these circles is within the area of permissible stress states, then the static strength of the part in the area under study is ensured.

К недостаткам метода следует отнести его чрезмерную сложность, связанную с тем, что взаимно перпендикулярные векторы напряжений σ1 и σ3 могут иметь самые различные направления в пространстве. Значения σ1 и σ3 в испытываемых образцах из материала детали и в исследуемой детали часто могут быть установлены расчетным путем, причем с неизбежными погрешностями расчета, а экспериментальным путем - лишь с использованием замораживаемых объемных поляризационных оптических моделей. Поэтому указанный классический метод Мора целесообразно применять для исследования статической прочности деталей в зоне воздействия на них контактных сил, где тензор максимальных напряжений имеет трехосный характер. При оценке статической прочности сложнонапряженный детали вне зон воздействия на неё контактных сил, как уже было отмечено, достаточно учесть наибольшие напряжения, которые возникают на её поверхности и носят плосконапряженный характер, поэтому проще поддаются расчетному и экспериментальному определению. К тому же в классическом методе Мора отсутствует учет влияния на статическую прочность второго главного напряжения σ2.The disadvantages of the method include its excessive complexity, due to the fact that mutually perpendicular stress vectors σ 1 and σ 3 can have very different directions in space. The values of σ 1 and σ 3 in the tested samples from the material of the part and in the part under study can often be established by calculation, and with inevitable calculation errors, and experimentally - only using frozen volumetric polarization optical models. Therefore, it is expedient to apply the specified classical Mohr method to study the static strength of parts in the zone of contact forces, where the maximum stress tensor has a triaxial character. When assessing the static strength of a complexly stressed part outside the zones of influence of contact forces on it, as already noted, it is sufficient to take into account the greatest stresses that arise on its surface and are of a plane stressed nature, therefore, they are easier to calculate and experimentally determine. In addition, the classical Mohr method does not take into account the influence on the static strength of the second main stress σ 2 .

К недостаткам классического метода Мора также можно отнести построение границы области предельных напряженных состояний рассматриваемого материала (границы области статической прочности) в виде линии, огибающей окружности серии предельных кругов Мора. Если, например, выяснится, что потеря работоспособности материала детали при трехосном растяжении возникает при более низкой величине первого главного напряжения σ1, чем при его одноосном растяжении, то предельный круг Мора, соответствующий трехосному растяжению, окажется внутри круга Мора, соответствующего напряженному состоянию при одноосном растяжении. В этом случае построение области статической прочности в виде огибающей предельных кругов Мора будет невозможно.The disadvantages of the classical Mohr method also include the construction of the boundary of the area of limit stress states of the material under consideration (the boundary of the area of static strength) in the form of a line that envelops the circle of a series of Mohr limit circles. If, for example, it turns out that the loss of performance of the material of the part under triaxial tension occurs at a lower value of the first principal stress σ 1 than with its uniaxial tension, then the Mohr limit circle corresponding to triaxial tension will be inside the Mohr circle corresponding to the stress state in uniaxial tension. stretching. In this case, the construction of the area of static strength in the form of an envelope of Mohr's limiting circles will be impossible.

Известны также способы определения статической прочности сложнонапряженной детали с использованием гипотез прочности, позволяющих привести сложное напряженное состояние материала к эквивалентному ему по разрушающей способности одноосному напряженному состоянию [3, 4]. Эти способы удобны тем, что расчет запаса статической прочности производится в виде отношения эквивалентных напряжений, действующих в исследуемой детали, к эквивалентным напряжениям предельного напряженного состояния её материала, которые выражены в виде чисел. Наиболее распространенными и часто применяемыми в настоящее время являются гипотезы наибольших касательных напряжений Треска - Сен-Венана и энергии изменения формы Хубера - Мизеса. There are also known methods for determining the static strength of a complexly stressed part using strength hypotheses that make it possible to bring the complex stress state of the material to a uniaxial stress state equivalent to it in terms of breaking capacity [3, 4]. These methods are convenient in that the static strength margin is calculated as the ratio of the equivalent stresses acting in the part under study to the equivalent stresses of the limit stress state of its material, which are expressed as numbers. The most common and frequently used at present are the Tresca-Saint-Venant tangential stresses and the Huber-Mises energy of shape change.

К недостаткам способов определения статической прочности по каждой из указанных гипотез следует отнести то, что при ряде напряженных состояний эти гипотезы не в полной мере отображают поведение реального материала. В частности, в указанных гипотезах не отражено, что предел текучести или разрушения реального материала при его растяжении и сжатии одинаковыми по модулю напряжениями часто не совпадают между собой. Помимо этого, расчет по различным гипотезам прочности дает неодинаковые между собой результаты, и каждая из этих гипотез больше подходит к какому-то одному типу материалов. В настоящее время не выполнено наглядного сравнения результатов, получаемых при разных видах напряженного состояния материала детали путем экспериментального определения статической прочности и по каждой из указанных гипотез прочности.The disadvantages of methods for determining the static strength for each of these hypotheses include the fact that for a number of stress states, these hypotheses do not fully reflect the behavior of a real material. In particular, these hypotheses do not reflect that the yield or fracture strength of a real material during its tension and compression by stresses of the same modulus often do not coincide with each other. In addition, the calculation according to various strength hypotheses gives different results, and each of these hypotheses is more suitable for one type of material. At present, there has not been a visual comparison of the results obtained for different types of stressed state of the material of the part by experimentally determining the static strength and for each of the indicated strength hypotheses.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности определения статической прочности деталей на участках их поверхности, расположенных вне зон воздействия контактных сил. Увеличение точности достигают за счет:The technical result of the invention is to increase the accuracy of determining the static strength of parts in their surface areas located outside the zones of contact forces. The increase in accuracy is achieved due to:

- определения запаса статической прочности n в исследуемой зоне поверхности детали путем выявления отношения максимально допустимых напряжений в материале детали к максимальным напряжениям, возникающим в указанной зоне детали при одинаковом соотношении всех компонентов тензоров сравниваемых между собой плосконапряженных состояний;- determining the margin of static strength n in the investigated area of the surface of the part by identifying the ratio of the maximum allowable stresses in the material of the part to the maximum stresses that occur in the specified area of the part with the same ratio of all components of the tensors of the compared plane stress states;

- определения по данным экспериментального исследования на образцах из материала детали точных величин компонентов тензоров плосконапряженного состояния, соответствующих пределу текучести или достижению предела статической прочности этого материала и построения в прямоугольной системе координат Оστ точной границы области предельных плосконапряженных состояний этого материала;- determining, according to the data of experimental research on samples from the material of the part, the exact values of the components of the plane stress tensors corresponding to the yield strength or the achievement of the static strength limit of this material and constructing in a rectangular coordinate system Oστ the exact boundary of the region of limiting plane stress states of this material;

- выбора для расчета той из используемых гипотез прочности, согласно которой граница области предельных плосконапряженных состояний в наибольшей мере повторяет границу, полученную экспериментальным путем;- selection for the calculation of one of the strength hypotheses used, according to which the boundary of the area of limiting plane stress states to the greatest extent repeats the boundary obtained experimentally;

- учета не двух, а всех трех главных напряжений тензоров сравниваемых между собой напряженных состояний (одно из этих главных напряжений направлено перпендикулярно поверхности детали и равно нулю).- taking into account not two, but all three main stresses of the tensors of the stress states compared with each other (one of these main stresses is directed perpendicular to the surface of the part and is equal to zero).

Технический результат по первому варианту достигается тем, что в способе определения статической прочности сложнонапряженной детали вне зон воздействия на неё контактных сил, включающем построение в прямоугольной системе координат Оστ графической записи малоцикловой смены тензоров двухосных напряжений в рассматриваемой точке поверхности детали в процессе её эксплуатации, выполняемой в виде серии кругов Мора, построенных на основе данных о двухосных напряжениях в этой точке в последовательно взятые моменты времени, с центрами кругов Мора, расположенными на оси Оσ, направление которой связано с выбранным направлением на поверхности исследуемой детали, также включающем построение в той же прямоугольной системе координат Оστ границы области предельных напряженных состояний материала детали, построенной путем обобщения отдельных экспериментальных данных, которые отображены в виде серии предельных кругов Мора, описывающих различные, доступные для получения при проведении испытаний, тензоры предельных напряженных состояний в образцах из материала детали, по данным экспериментального исследования, проводимого на образцах из материала детали, определяют точные величины различных сочетаний компонентов тензоров плосконапряженного состояния, при которых достигается предел текучести или предел статической прочности материала детали, указанные сочетания компонентов тензоров плосконапряженного состояния отображают в прямоугольной системе координат Оστ в виде серии предельных кругов Мора, затем путем проведения параллельно оси Оτ диаметров предельных кругов Мора и последующего построения линии, огибающей точки пересечения этих диаметров с окружностями, ограничивающими указанные предельные круги Мора, выполняют построение границы области предельных плосконапряженных состояний материала детали, при этом критерием обеспечения статической прочности исследуемой зоны детали является расположение точек пересечения диаметров, проведенных параллельно оси Оτ во всех кругах Мора, которые отображают отдельные плосконапряженные состояния, возникающие в исследуемой зоне поверхностного слоя детали, с окружностями, ограничивающими эти круги, внутри границ области предельных плосконапряженных состояний, дополнительно определяют уточненный запас статической прочности n в исследуемой зоне поверхности детали путем выявления отношения максимально допустимых касательных напряжений в материале детали, выявленных по данным экспериментального исследования, к максимальным касательным напряжениям, возникающим в исследуемой зоне детали при одинаковом соотношении всех компонентов тензоров сравниваемых между собой плосконапряженных состояний.The technical result according to the first variant is achieved by the fact that in the method for determining the static strength of a complexly stressed part outside the zones of influence of contact forces on it, including the construction in a rectangular coordinate system Оστ of a graphical record of a low-cycle change of biaxial stress tensors at the considered point of the part surface during its operation, performed in in the form of a series of Mohr circles constructed on the basis of data on biaxial stresses at this point at successively taken moments of time, with the centers of Mohr circles located on the Oσ axis, the direction of which is associated with the chosen direction on the surface of the part under study, which also includes construction in the same rectangular system coordinates Oστ of the boundary of the area of limit stress states of the material of the part, constructed by generalizing individual experimental data, which are displayed as a series of Mohr limit circles describing various tensors p limit stress states in samples from the material of the part, according to the experimental study conducted on samples from the material of the part, the exact values of various combinations of the components of the plane stress tensors are determined, at which the yield strength or static strength limit of the material of the part is reached, these combinations of components of the plane stress tensors reflect in a rectangular coordinate system Oστ in the form of a series of Mohr limit circles, then by drawing the diameters of the Mohr limit circles parallel to the Oτ axis and then constructing a line that envelops the point of intersection of these diameters with the circles bounding the indicated Mohr limit circles, the boundary of the area of limit plane stress states of the material of the part is constructed , while the criterion for ensuring the static strength of the investigated zone of the part is the location of the intersection points of the diameters, drawn parallel to the Oτ axis in all Mohr circles, which are displayed reflect individual plane-stressed states that occur in the investigated area of the surface layer of the part, with circles bounding these circles, inside the boundaries of the area of limiting plane-stressed states, additionally determine the refined static strength margin n in the studied area of the surface of the part by identifying the ratio of the maximum allowable shear stresses in the material of the part, identified according to the data of the experimental study, to the maximum tangential stresses arising in the investigated zone of the part with the same ratio of all components of the tensors of the plane stress states compared with each other.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в способе определения статической прочности сложнонапряженной детали вне зон воздействия на неё контактных сил, включающем построение в прямоугольной системе координат Оστ графической записи малоцикловой смены тензоров двухосных напряжений в рассматриваемой точке поверхности детали в процессе её эксплуатации, выполняемой в виде серии кругов Мора, построенных на основе данных о двухосных напряжениях в этой точке в последовательно взятые моменты времени, с центрами кругов Мора, расположенными на оси Оσ, направление которой связано с выбранным направлением на поверхности исследуемой детали, также включающем построение в той же прямоугольной системе координат Оστ границы области предельных напряженных состояний материала детали, построенной путем обобщения отдельных экспериментальных данных, которые отображены в виде серии предельных кругов Мора, описывающих различные, доступные для получения при проведении испытаний, тензоры предельных напряженных состояний в образцах из материала детали, построение границы области предельных плосконапряженных состояний материала детали в прямоугольной системе координат Оστ выполняют путем построения по каждой из гипотез прочности при различных тензорах напряжений серии предельных кругов Мора, параллельно оси Оτ проводят диаметры указанных предельных кругов Мора и строят линию, огибающую точки пересечения этих диаметров с окружностями, ограничивающими указанные предельные круги Мора, выбирают ту границу области предельных плосконапряженных состояний, которая в наибольшей мере повторяет границу, построенную экспериментальным путем, при этом критерием обеспечения статической прочности исследуемой зоны детали является расположение точек пересечения диаметров, проведенных параллельно оси Оτ, во всех кругах Мора, отображающих отдельные плосконапряженные состояния, возникающие в исследуемой зоне поверхностного слоя детали, с окружностями, ограничивающими эти круги, внутри указанной границы области предельных плосконапряженных состояний, дополнительно определяют запас статической прочности n в исследуемой зоне поверхности детали путем выявления отношения максимально допустимых касательных напряжений в материале детали, полученных по формулам той гипотезы прочности, согласно которой построена граница области предельных плосконапряженных состояний, в наибольшей степени совпадающая с границей, построенной экспериментальным путем, к максимальным касательным напряжениям, возникающим в исследуемой зоне детали при одинаковом соотношении всех компонентов тензоров сравниваемых между собой плосконапряженных состояний.The technical result according to the second variant is achieved by the fact that in the method for determining the static strength of a complexly stressed part outside the zones of influence of contact forces on it, including the construction in a rectangular coordinate system Оστ of a graphical record of a low-cycle change of biaxial stress tensors at the considered point of the part surface during its operation, performed in in the form of a series of Mohr circles constructed on the basis of data on biaxial stresses at this point at successively taken moments of time, with the centers of Mohr circles located on the Oσ axis, the direction of which is associated with the chosen direction on the surface of the part under study, which also includes construction in the same rectangular system coordinates Oστ of the boundary of the area of limit stress states of the material of the part, constructed by generalizing individual experimental data, which are displayed as a series of Mohr limit circles describing various tensors p limit stress states in samples from the material of the part, the construction of the boundary of the area of limit plane stress states of the material of the part in a rectangular coordinate system Оστ is performed by constructing for each of the hypotheses of strength at different stress tensors of a series of Mohr limit circles, the diameters of the indicated Mohr limit circles are drawn parallel to the Oτ axis and plotted the line enveloping the points of intersection of these diameters with the circles bounding the indicated limiting Mohr circles, choose the boundary of the area of limiting plane stress states that most closely repeats the boundary constructed experimentally, while the criterion for ensuring the static strength of the investigated zone of the part is the location of the intersection points of the diameters, drawn parallel to the Oτ axis, in all Mohr circles, displaying individual plane-stressed states that occur in the investigated area of the surface layer of the part, with circles bounding these circles inside the indicated th boundary of the area of limit plane stress states, additionally determine the margin of static strength n in the investigated area of the surface of the part by identifying the ratio of the maximum allowable shear stresses in the material of the part, obtained by the formulas of that hypothesis of strength, according to which the boundary of the area of limit plane stress states is constructed, which most closely matches with boundary, built experimentally, to the maximum tangential stresses arising in the investigated zone of the part with the same ratio of all components of the tensors of the plane stress states being compared with each other.

Предложенные способы определения статической прочности сложнонапряженной детали поясняются фигурами.The proposed methods for determining the static strength of a complexly stressed part are illustrated by figures.

На фиг. 1 показаны границы области предельных плосконапряженных состояний материала детали, построенные экспериментальным и расчетными способами, а также представлен пример определения запаса статической прочности при одном из тензоров плосконапряженного состояния на поверхности рассматриваемой детали.In FIG. 1 shows the boundaries of the region of limiting plane stress states of the material of the part, constructed by experimental and computational methods, and also shows an example of determining the static strength margin for one of the tensors of the plane stress state on the surface of the part under consideration.

На фиг. 2 представлено состояние предельного плосконапряженного сжатия поверхностного слоя детали.In FIG. 2 shows the state of ultimate plane-stressed compression of the surface layer of the part.

На фиг. 3 - состояние предельного плосконапряженного растяжения - сжатия поверхностного слоя детали.In FIG. 3 - the state of limit plane stress tension - compression of the surface layer of the part.

На фиг. 4 - состояние предельного плосконапряженного растяжения поверхностного слоя детали.In FIG. 4 - the state of limiting plane-stressed tension of the surface layer of the part.

На фиг. 5 показано построение границы области предельных плосконапряженных состояний материала детали расчетным способом по гипотезе прочности наибольших касательных напряжений Треска - Сен-Венана.In FIG. 5 shows the construction of the boundary of the area of limiting plane stress states of the material of the part by calculation according to the hypothesis of strength of the highest shear stresses Tresca - Saint-Venant.

На фиг. 6 показано построение границы области предельных плосконапряженных состояний материала детали расчетным способом по гипотезе прочности Хубера-Мизеса.In FIG. 6 shows the construction of the boundary of the area of limiting plane-stressed states of the material of the part by the calculation method according to the Huber-Mises strength hypothesis.

Линиями 1, 2, 3 на фиг. 1 представлены различные границы области предельных плосконапряженных состояний материала детали, определяющие статическую прочность поверхностного слоя этой детали в зонах, где на неё не действуют контактные силы. Границы представлены в прямоугольной системе координат Оστ, где σ и τ - соответственно, нормальное и касательное напряжения, действующие в рассматриваемой точке поверхностного слоя. Сплошной линией 1 обозначена граница области предельных плосконапряженных состояний, построенная на основе экспериментальных данных по исследованию испытываемых образцов, изготовленных из материала детали. Штрихпунктирной линией 2 обозначена граница области предельных плосконапряженных состояний, построенная по гипотезе наибольших касательных напряжений. Пунктирной линией 3 - граница области предельных плосконапряженных состояний материала детали, построенная по гипотезе прочности энергии формоизменения. Круг Мора 4 соответствует предельно допустимому одноосному растяжению исследуемого материала. Круг Мора 5 отображает один из тензоров напряжений, последовательно возникающих в рассматриваемой точке поверхности детали во время её эксплуатации.Lines 1, 2, 3 in Fig. 1 shows different boundaries of the area of limiting plane stress states of the material of the part, which determine the static strength of the surface layer of this part in areas where contact forces do not act on it. The boundaries are presented in a rectangular coordinate system Oστ, where σ and τ are, respectively, the normal and tangential stresses acting at the considered point of the surface layer. Solid line 1 denotes the boundary of the area of limiting plane stress states, built on the basis of experimental data on the study of test samples made from the material of the part. Dash-dotted line 2 denotes the boundary of the area of limiting plane stress states, constructed according to the hypothesis of the highest shear stresses. Dotted line 3 - the boundary of the area of limiting plane-stressed states of the material of the part, built on the hypothesis of the strength of the energy of deformation. Mohr's circle 4 corresponds to the maximum allowable uniaxial tension of the material under study. The Mohr circle 5 displays one of the stress tensors that sequentially appear at the considered point of the part surface during its operation.

На фиг. 2-4 представлены три возможных варианта расположения трех кругов Мора, характеризующих в объемном представлении плоское напряженное состояние, которое возникает в трех главных площадках исследуемой точки, расположенной на поверхности детали вне зоны воздействия на неё внешних сил. При этом позицией 6 обозначен круг Мора, соответствующий тензору предельных напряжений, возникающих в исследуемой точке поверхности детали в той главной плоскости, которая расположена касательно к поверхности детали. Позициями 7 и 8 обозначены круги Мора, соответствующие тензорам предельных напряженных состояний, возникающих в исследуемой точке в двух других главных плоскостях, расположенных перпендикулярно по отношению к направлениям двух главных напряжений, действующих в плоскости, касательной к поверхности детали.In FIG. Figures 2-4 show three possible arrangements of the three Mohr circles, which characterize in a volumetric representation the plane stress state that occurs in the three main areas of the point under study, located on the surface of the part outside the zone of influence of external forces on it. In this case, position 6 denotes the Mohr circle corresponding to the tensor of limit stresses arising at the investigated point of the part surface in that main plane, which is located tangentially to the part surface. Positions 7 and 8 indicate the Mohr circles corresponding to the tensors of the limit stress states arising at the point under study in two other main planes located perpendicular to the directions of the two main stresses acting in the plane tangential to the surface of the part.

На фиг. 5 показано построение в системе координат Оστ границы АВДЕД'В'А'С области статической прочности поверхностного слоя материала детали по гипотезе прочности наибольших касательных напряжений. Позициями 9, 10, 11 обозначены отдельные круги Мора, соответствующие тензорам предельных плосконапряженных состояний, возникающим в главной плоскости, совпадающей с плоскостью, касательной к поверхности детали (кругам Мора 9, 10, 11 на фиг.5 соответствуют круги Мора 6 на фиг. 2-3).In FIG. 5 shows the construction in the Oστ coordinate system of the AVDED'B'A'C boundary of the area of static strength of the surface layer of the material of the part according to the hypothesis of strength of the largest shear stresses. Positions 9, 10, 11 denote individual Mohr circles corresponding to the tensors of the limiting plane stress states arising in the main plane coinciding with the plane tangent to the surface of the part (Mohr circles 9, 10, 11 in Fig. 5 correspond to Mohr circles 6 in Fig. 2 -3).

На фиг. 6 показано построение в системе координат Оστ границы области статической прочности поверхностного слоя материала детали по гипотезе прочности энергии формоизменения. Позициями 1', 2', …, 18' отмечены отдельные точки этой границы, соответствующие тензорам предельных плосконапряженных состояний, возникающих в главной плоскости, которая совпадает с плоскостью, касательной к поверхности детали.In FIG. 6 shows the construction in the Oστ coordinate system of the boundary of the static strength region of the surface layer of the material of the part according to the hypothesis of the strength of the forming energy. Positions 1', 2', ..., 18' mark the individual points of this boundary, corresponding to the tensors of the limiting plane stress states that occur in the main plane, which coincides with the plane tangent to the surface of the part.

Способ определения статической прочности сложнонапряженной детали вне зон воздействия на нее контактных сил в рассматриваемой точке её поверхности осуществляют следующим образом.The method for determining the static strength of a complexly stressed part outside the zones of influence of contact forces on it at the considered point on its surface is carried out as follows.

Из материала детали изготавливают испытательные образцы, в поверхностном слое которых создают различные заданные пропорции между отдельными компонентами тензоров напряжений. Далее, плавно увеличивая прикладываемую к образцам нагрузку и сохраняя при этом заданную пропорцию между отдельными компонентами тензора напряжений, определяют величины напряжений, при которых происходит нарушение нормальных условий работы этих образцов по причине начала текучести или достижения предела статической прочности исследуемого материала.Test specimens are made from the material of the part, in the surface layer of which various predetermined proportions are created between the individual components of the stress tensors. Further, by gradually increasing the load applied to the samples while maintaining the specified proportion between the individual components of the stress tensor, the stress values are determined at which the normal operating conditions of these samples are violated due to the onset of fluidity or the achievement of the static strength limit of the material under study.

Тензоры предельных плосконапряженных состояний, которые возникают в плоскости поверхности испытываемых образцов в период, предшествующий началу текучести или разрушения, изображают в системе прямоугольных координат Оστ в виде предельных кругов Мора. Далее, параллельно оси Оτ проводят диаметры этих кругов. Точки пересечения этих диаметров с окружностями, ограничивающими круги Мора, соответствуют величинам максимальных касательных напряжений при рассматриваемом сочетании компонентов тензоров плосконапряженного состояния. Проводят линию, огибающую эти точки, которая и представляет собой границу области предельно допустимых напряжений для данного материала, полученную на основе данных эксперимента. Возможный вид такой границы представлен на фиг. 1 сплошной линией 1.The tensors of limiting plane stress states that arise in the plane of the surface of the tested samples in the period preceding the onset of yield or fracture are depicted in the system of rectangular coordinates Оστ in the form of Mohr's limit circles. Further, parallel to the Oτ axis, the diameters of these circles are drawn. The points of intersection of these diameters with the circles bounding the Mohr circles correspond to the values of the maximum tangential stresses for the considered combination of components of the plane stress tensors. A line is drawn around these points, which is the boundary of the area of maximum allowable stresses for a given material, obtained on the basis of experimental data. A possible view of such a boundary is shown in Fig. 1 solid line 1.

Конфигурация построенной указанным образом границы отличается от той, которую обычно изображают при изложении обобщенной теории прочности Мора [3, 4]. Это связано с тем, что в классической обобщенной теории прочности Мора граница предельных напряженных состояний строится по напряжениям, действующим в плоскости наибольшего и наименьшего главных напряжений σ1 и σ3. При этом направление указанных главных напряжений в пространстве испытываемого образца во внимание не принимается. В классической теории прочности Мора величина второго главного напряжения σ2 в системе координат Оστ находится между величинами σ1 и σ3. Отрицательным значениям σ1 и σ3 соответствует состояние трехстороннего сжатия. При пропорциональном увеличении абсолютных значений трех близких по модулю сжимающих напряжений разрушить материал детали невозможно. Поэтому верхняя и нижняя ветви границы области предельно допустимых напряжений материала детали в классической обобщенной теории прочности Мора между собой не смыкаются.The configuration of the boundary constructed in this way differs from that which is usually depicted in the presentation of Mohr's generalized theory of strength [3, 4]. This is due to the fact that in the classical generalized theory of Mohr's strength, the boundary of ultimate stress states is constructed from the stresses acting in the plane of the largest and smallest principal stresses σ 1 and σ 3 . In this case, the direction of the specified principal stresses in the space of the test sample is not taken into account. In Mohr's classical theory of strength, the value of the second principal stress σ 2 in the Oστ coordinate system is between the values σ 1 and σ 3 . Negative values of σ 1 and σ 3 correspond to the state of three-sided compression. With a proportional increase in the absolute values of three compressive stresses close in modulus, it is impossible to destroy the material of the part. Therefore, the upper and lower branches of the boundary of the area of maximum allowable stresses of the material of the part in the classical generalized theory of Mohr's strength do not interlock with each other.

На фиг. 1 левую часть границы области допускаемых плосконапряженных состояний определяет предельный круг Мора, который построен при одноосном или двухосном напряжении сжатия с главными напряжениями, действующими в плоскости поверхностного слоя материала детали, σ2 и σ3, (фиг. 2). Максимальное σ1 из трех главных напряжений в этом случае направлено перпендикулярно поверхности детали и равно нулю. Поэтому, если в исследуемой точке значение σ3 по модулю превысит допустимое значение, то превысит допустимое значение и величина |σ1 - σ3|, при этом условие прочности детали в исследуемой точке нарушится. В связи с этим на фиг. 1, левая часть границы 1 области допускаемых плосконапряженных состояний является замкнутой.In FIG. 1, the left side of the boundary of the region of permissible plane stress states defines the Mohr limit circle, which is built at uniaxial or biaxial compressive stress with the main stresses acting in the plane of the surface layer of the part material, σ 2 and σ 3 , (Fig. 2). The maximum σ 1 of the three main stresses in this case is directed perpendicular to the surface of the part and is equal to zero. Therefore, if at the point under study the value of σ 3 modulo exceeds the allowable value, then the value of |σ 1 - σ 3 | will also exceed the allowable value, while the strength condition of the part at the point under study will be violated. In this regard, in FIG. 1, the left part of the boundary 1 of the area of permissible plane stress states is closed.

Конфигурация правой части границы 1 области предельных плосконапряженных состояний в материале детали, которая показана на фиг. 1, соответствует такому поведению материала, при котором в случае равномерного двухосного растяжения поверхностного слоя его разрушение происходит при меньшей величине первых двух главных напряжений, чем в случае предельного одноосного растяжения, отображенного на фиг. 1 кругом Мора 4. В таком случае построить границу области статической прочности в виде огибающей серии предельных кругов Мора, как это принято в классической обобщенной теории прочности Мора, невозможно. Поэтому границу 1 области предельных плосконапряженных состояний материала детали предлагается проводить в системе координат Оστ путем соединения между собой верхних, а затем нижних точек вертикально проведенных диаметров кругов Мора, которые в процессе экспериментальных исследований отображают предельные плосконапряженные состояния в этом материале.The configuration of the right part of the boundary 1 of the area of limit plane stress states in the material of the part, which is shown in Fig. 1 corresponds to such behavior of the material, in which, in the case of uniform biaxial tension of the surface layer, its destruction occurs at a lower value of the first two principal stresses than in the case of the limiting uniaxial tension shown in FIG. 1 by the Mohr circle 4. In this case, it is impossible to construct the boundary of the static strength region in the form of an envelope of a series of limiting Mohr circles, as is customary in the classical generalized Mohr theory of strength. Therefore, the boundary 1 of the area of limit plane stress states of the material of the part is proposed to be carried out in the Oστ coordinate system by connecting the upper and then the lower points of the vertically drawn diameters of the Mohr circles, which in the process of experimental studies display the limit plane stress states in this material.

При указанном построении границы 1 области предельных плосконапряженных состояний материала детали в плоскости её поверхностного слоя выполнен точный учет всех трех главных напряжений. (Одно из этих главных напряжений направлено перпендикулярно к поверхности детали и равно нулю). Учет всех трех главных напряжений повышает точность и достоверность рассматриваемого способа определения статической прочности детали по сравнению со способом, предложенным в классической теории прочности Мора, где влияние на статическую прочность второго главного напряжения не учитывают.With the indicated construction of the boundary 1 of the area of limiting plane-stressed states of the material of the part in the plane of its surface layer, an accurate account of all three principal stresses was made. (One of these principal stresses is directed perpendicular to the surface of the part and is equal to zero). Accounting for all three principal stresses increases the accuracy and reliability of the considered method for determining the static strength of a part in comparison with the method proposed in the classical Mohr theory of strength, where the effect on the static strength of the second principal stress is not taken into account.

После построения по данным экспериментального исследования границы 1 области статической прочности (фиг.1) в той же системе координат Оστ строят круги Мора, которые в разные моменты времени отображают тензоры напряжений, возникающих в рассматриваемой точке поверхности детали во время её эксплуатации, например, круг Мора 5. Параллельно оси Оτ проводят радиусы или диаметры этих кругов. (В круге Мора 5 это радиус АС). Точки пересечения указанных радиусов или диаметров с окружностями, ограничивающими круги Мора (в круге Мора 5 это точка А), отображают максимальные касательные напряжения, последовательно возникающие в указанной зоне детали во время её эксплуатации. Критерием обеспечения статической прочности исследуемой зоны детали является расположение указанных точек внутри границы, построенной по данным экспериментального исследования.After constructing according to the data of the experimental study of the boundary 1 of the static strength area (figure 1) in the same coordinate system Оστ, Mohr circles are built, which at different times display the stress tensors that occur at the considered point on the surface of the part during its operation, for example, the Mohr circle 5. Parallel to the Oτ axis, the radii or diameters of these circles are drawn. (In Mohr's circle 5 this is the radius AC). The points of intersection of the indicated radii or diameters with the circles bounding the Mohr circles (in the Mohr circle 5 this is point A) display the maximum shear stresses that sequentially occur in the specified zone of the part during its operation. The criterion for ensuring the static strength of the investigated zone of the part is the location of these points inside the boundary, built according to the data of the experimental study.

Запас статической прочности n в исследуемой зоне поверхности детали при каждом из её плосконапряженных состояний определяют путем выявления отношения максимальных касательных напряжений, при которых возникает состояние текучести или достигается предел статической прочности материала детали, к максимальным касательным напряжениям, возникающим в указанной зоне детали во время её эксплуатации. При этом соотношение всех компонентов тензоров, сравниваемых между собой плосконапряженных состояний должно быть одинаковым. Для определения запаса статической прочности n в рассматриваемой точке поверхности детали при её плосконапряженном состоянии, определяемом кругом Мора 5, через точку О начала системы координат Оστ и точку А радиуса СА, проведенного параллельно оси Оτ, проводят прямую до её пересечения в точке В с границей 1 рассматриваемой области статической прочности, построенной по данным экспериментального исследования. Коэффициент запаса статической прочности определяется соотношением:The static strength margin n in the investigated area of the part surface in each of its plane stressed states is determined by identifying the ratio of the maximum shear stresses at which a yield state occurs or the static strength limit of the part material is reached, to the maximum shear stresses that occur in the specified area of the part during its operation . In this case, the ratio of all components of the tensors of the plane stress states being compared with each other should be the same. To determine the margin of static strength n at the considered point of the surface of the part in its plane-stressed state, defined by the Mohr circle 5, through the point O of the origin of the coordinate system Oστ and point A of radius CA, drawn parallel to the axis Oτ, a straight line is drawn until it intersects at point B with boundary 1 considered area of static strength, constructed according to the data of the experimental study. Coefficient the static strength margin is determined by the ratio:

n = BД/АС = ОВ/ОА =ОД/ОС (1) n \u003d VD / AS \u003d OB / OA \u003d OD / OS (1)

Выражение (1) составлено на основании того, что при увеличении пропорционально коэффициенту запаса статической прочности n всех компонентов рассматриваемого тензора плосконапряженного состояния, отображаемого кругом Мора 5, положение центра круга Мора 5 на оси Оσ и его диаметр увеличатся пропорционально коэффициенту запаса статической прочности n. При этом у круга Мора 5 верхняя точка А радиуса СА, проведенного параллельно оси Оτ, совпадет с точкой В (фиг. 1) и окажется на границе 1 области статической прочности.Expression (1) is based on the fact that with an increase in proportion to the static strength factor n of all components of the plane stress state tensor under consideration, displayed by the Mohr circle 5, the position of the center of the Mohr circle 5 on the Oσ axis and its diameter will increase in proportion to the static strength factor n . At the same time, at Mohr's circle 5, the upper point A of radius CA, drawn parallel to the axis Oτ, will coincide with point B (Fig. 1) and will be on the border 1 of the static strength region.

Граница области предельных плосконапряженных состояний материала детали в прямоугольной системе координат Оστ может также быть построена по различным гипотезам прочности. На фиг. 1 позициями 2 и 3 обозначены границы, построенные, соответственно, по гипотезе наибольших касательных напряжений Треска - Сен-Венана и по гипотезе прочности энергии формоизменения Хубера-Мизеса.The boundary of the region of limiting plane stress states of the material of the part in the rectangular coordinate system Оστ can also be constructed according to various hypotheses of strength. In FIG. 1, positions 2 and 3 indicate the boundaries constructed, respectively, according to the Tresca-Saint-Venant hypothesis of the greatest tangential stresses and according to the Huber-Mises hypothesis of strength of the energy of shape change.

Принцип построения границы по гипотезе наибольших касательных напряжений поясняется на фиг. 2-4. На каждой из этих фигур в системе прямоугольных координат Оστ показаны три круга Мора, отображающие полное плосконапряженное состояние в материале детали. Круг Мора 6 (фиг. 2-4) описывает плосконапряженное состояние в главной площадке, расположенной в плоскости, касательной к поверхности детали, а два других круга Мора 7 и 8 описывают напряженное состояние в главных площадках, расположенных в плоскостях перпендикулярных этой поверхности. Так как модуль главного напряжения, направленного перпендикулярно поверхности детали, равен нулю, то круги Мора 7 и 8 одной из своих точек касаются начала системы координат Оστ. Два главных напряжения, действующих в плоскости поверхности детали, могут иметь одинаковые знаки - двухосное сжатие (фиг. 2) или двухосное растяжение (фиг. 4) поверхностного слоя. Характер расположения трех кругов Мора при разных знаках главных напряжений, действующих в плоскости поверхности детали, представлен на фиг. 3.The principle of constructing the boundary according to the hypothesis of the greatest tangential stresses is illustrated in Fig. 2-4. Three Mohr circles are shown on each of these figures in the Oστ rectangular coordinate system, representing the full plane stress state in the part material. The Mohr circle 6 (Fig. 2-4) describes the plane stress state in the main area located in the plane tangent to the surface of the part, and the other two Mohr circles 7 and 8 describe the stress state in the main areas located in the planes perpendicular to this surface. Since the modulus of the main stress directed perpendicular to the surface of the part is equal to zero, the Mohr circles 7 and 8 touch the origin of the coordinate system Оστ at one of their points. The two main stresses acting in the plane of the part surface can have the same signs - biaxial compression (Fig. 2) or biaxial tension (Fig. 4) of the surface layer. The nature of the location of the three Mohr circles with different signs of the principal stresses acting in the plane of the part surface is shown in Fig. 3.

Согласно гипотезе прочности наибольших касательных напряжений Треска - Сен-Венана, опасное напряженное состояние в рассматриваемой точке материала детали наступает, если наибольшее из трех максимальных касательных напряжений τ max , действующих в этой точке в главных площадках, достигает предельно допустимой величины τ L . В свою очередь, эта предельно допустимая величина τ L определяет эквивалентное напряжение σ экв.касат ., по указанной гипотезе прочности [3, 4]. Таким образом, условие прочности соблюдено, если:According to the hypothesis of strength of the highest tangential stresses Tresca - Saint-Venant, a dangerous stress state at the considered point of the material of the part occurs if the largest of the three maximum tangential stresses τ max acting at this point in the main areas reaches the maximum allowable value τ L . In turn, this maximum allowable value τ L determines the equivalent stress σ ekv.kasat . , according to the specified strength hypothesis [3, 4]. Thus, the strength condition is met if:

Figure 00000001
Figure 00000001

где τ max - наибольшее из трех максимальных касательных напряжений, действующих в главных площадках в рассматриваемой точке;where τ max - the largest of the three maximum shear stresses acting in the main areas at the point under consideration;

τ L - предельно допустимая величина касательных напряжений;τ L - maximum allowable shear stress;

σ1 - максимальное главное напряжение в рассматриваемой точке;σ 1 - maximum principal stress at the considered point;

σ3 - минимальное главное напряжение в рассматриваемой точке;σ 3 - the minimum principal stress at the considered point;

σ экв.касат . - эквивалентное напряжение по гипотезе прочности наибольших касательных напряжений.σ equiv.kasat . - equivalent stress according to the hypothesis of strength of the largest tangential stresses.

Согласно (2), чтобы соответствовать гипотезе прочности наибольших касательных напряжений Треска - Сен-Венана, диаметр D наибольшего из трех кругов Мора (фиг. 2-4), отображающего наибольшую разность главных напряжений σ 1 - σ 3 , не должен выходить за пределы области максимальных касательных напряжений ±τ L . Исходя из этих условий, путем рассмотрения различных сочетаний двух главных напряжений, которые действуют в плоскости поверхности детали и участвуют в построении круга Мора 6 диаметром D 1 , можно в прямоугольной системе координат Оστ выполнить построение области предельных напряженных состояний в поверхностном слое детали, при которых полный тензор напряжений в исследуемой зоне её поверхности принимает предельно допустимые значения. При этом максимальные касательные напряжения τ L могут быть достигнуты в плоскости, касательной к поверхностному слою детали (фиг. 3) или в одной из главных плоскостей, перпендикулярных её поверхностному слою (фиг. 2, 4).According to (2), in order to comply with the Tresca-Saint-Venant hypothesis of strength of the greatest shear stresses, the diameter D of the largest of the three Mohr circles (Fig. 2-4), displaying the largest difference in principal stresses σ 1 - σ 3 , should not go beyond the area maximum shear stresses ±τ L . Based on these conditions, by considering various combinations of two main stresses that act in the plane of the surface of the part and participate in the construction of the Mohr circle 6 with a diameter D 1 , it is possible to construct the area of limit stress states in the surface layer of the part in the rectangular coordinate system Оστ, at which the complete the stress tensor in the investigated area of its surface takes the maximum allowable values. In this case, the maximum shear stresses τ L can be achieved in the plane tangential to the surface layer of the part (Fig. 3) or in one of the main planes perpendicular to its surface layer (Fig. 2, 4).

Максимальные касательные напряжения τ max возникают в плоскости, касательной к поверхности детали, если в её поверхностном слое действуют напряжения двухосного растяжения-сжатия (фиг 3). В этом случае статическая прочность детали определяется главными напряжениями σ1 и σ3, действующими в плоскости её поверхности. Согласно принятому условию (2), касательные напряжения τ max не должны превышать максимальных допускаемых напряжений τ L . В зависимости от соотношения между абсолютными значениями главных напряжений σ1 и σ3 круг Мора 6, отображающий тензор предельно допустимых напряжений в поверхностном слое материала детали, может перемещаться на фиг 3 влево или вправо, а граница области плоских предельных плосконапряженных состояний в поверхностном слое материала детали (граница области статической прочности) на фиг 3 при этом располагается в промежутке между прямыми АВД и А'В'Д'. При напряжениях двухосного растяжения-сжатия в поверхностном слое детали в случае, если (σ 1 - σ 3 ) > 2τ L , плоскость наибольших касательных напряжений, по которой происходит пластический сдвиг материала, будет расположена перпендикулярно поверхности детали.The maximum tangential stresses τ max occur in the plane tangential to the surface of the part, if biaxial tension-compression stresses act in its surface layer (Fig. 3). In this case, the static strength of the part is determined by the principal stresses σ 1 and σ 3 acting in the plane of its surface. According to the accepted condition (2), shear stresses τ max should not exceed the maximum allowable stresses τ L . Depending on the ratio between the absolute values of the principal stresses σ 1 and σ 3 Mohr's circle 6, which displays the tensor of the maximum allowable stresses in the surface layer of the material of the part, can move in Fig 3 to the left or right, and the boundary of the area of flat limiting plane stress states in the surface layer of the material of the part (the boundary of the area of static strength) in Fig 3 is located in the gap between the direct AED and A'B'D'. At stresses of biaxial tension-compression in the surface layer of the part, if ( σ 1 - σ 3 ) > 2 τ L , the plane of the highest tangential stresses, along which the plastic shear of the material occurs, will be located perpendicular to the surface of the part.

При различных плосконапряженных состояниях, соответствующих двухосному сжатию или двухосному растяжению поверхностного слоя детали (фиг. 2 и 4), максимальные касательные напряжения τ max в исследуемой точке поверхности детали действуют в главных площадках, перпендикулярных поверхностному слою. Предельно допустимые величины тензоров этих напряжений на фиг. 2 и 4 отображены кругами Мора 7. Как уже отмечено выше, тензоры напряжений, которые при этом возникают в плоскости поверхности детали, отображены кругами Мора 6. На фиг. 5 тензоры напряжений, которые в случае двухосного сжатия поверхностного слоя детали действуют в плоскости её поверхности и соответствуют появлению предельных тензоров напряжений в плоскостях, перпендикулярных поверхности детали, изображены кругами Мора 9, 10 и 11. Аналогичные круги могут быть изображены с правой стороны фигуры 5 в зоне двухосного растяжения поверхностного слоя. При напряжениях двухосного растяжения или двухосного сжатия в поверхностном слое детали в случае, если (σ 1 - σ 3 ) > 2τ L , плоскость наибольших касательных напряжений, по которой происходит пластический сдвиг материала, будет расположена примерно под углом 45° к поверхности детали.Under various plane-stress states corresponding to biaxial compression or biaxial tension of the surface layer of the part (Figs. 2 and 4), the maximum shear stresses τ max at the studied point of the part surface act in the main areas perpendicular to the surface layer. The maximum allowable values of the tensors of these stresses in Fig. 2 and 4 are depicted by Mohr circles 7. As noted above, the stress tensors that arise in this case in the plane of the part surface are displayed by Mohr circles 6. FIG. 5 stress tensors, which in the case of biaxial compression of the surface layer of the part, act in the plane of its surface and correspond to the appearance of limit stress tensors in planes perpendicular to the surface of the part, are shown by Mohr circles 9, 10 and 11. Similar circles can be shown on the right side of figure 5 in zone of biaxial tension of the surface layer. At stresses of biaxial tension or biaxial compression in the surface layer of the part, if ( σ 1 - σ 3 ) > 2 τ L , the plane of the highest tangential stresses, along which the plastic shear of the material occurs, will be located approximately at an angle of 45 ° to the surface of the part.

На фиг. 5 видно, что представлять границу области максимально допустимых напряжений в виде линии, огибающей окружности 9, 10 и 11 предельных кругов Мора, которые при двустороннем сжатии отображают тензоры предельных напряжений, действующих в поверхностном слое детали, невозможно. Это связано с тем, что в таком случае в системе координат Оστ области максимально допустимых напряжений, которые определяются одними кругами Мора, перекрываются областями, которые определяются другими кругами Мора (фиг. 5), в результате чего граница области статической прочности будет определена неоднозначно. Аналогичный вывод мог бы быть сделан при рассмотрении кругов Мора, соответствующих двухосному растяжению поверхностного слоя (на фиг. 5 не показаны).In FIG. 5 it can be seen that it is impossible to represent the boundary of the region of maximum allowable stresses in the form of a line enveloping circles 9, 10 and 11 of Mohr's limit circles, which, under bilateral compression, display the limit stress tensors acting in the surface layer of the part, is impossible. This is due to the fact that in this case, in the Oστ coordinate system, the areas of maximum allowable stresses, which are defined by one Mohr circles, overlap with areas that are defined by other Mohr circles (Fig. 5), as a result of which the boundary of the static strength region will be determined ambiguously. A similar conclusion could be drawn when considering the Mohr circles corresponding to the biaxial tension of the surface layer (not shown in Fig. 5).

В связи с изложенным границу области статической прочности в системе координат Оστ удобнее строить, не в виде огибающей кругов Мора, отображающих предельно допустимые напряжения в плоскости поверхности детали, а в виде огибающей верхней и нижней конечных точек диаметров этих кругов, проведенных параллельно оси Оτ, то есть по точкам, которые выражают величину максимальных и минимальных касательных напряжений, определяемых этими кругами. На фиг. 5 таким способом получены прямые СА и СА', а также ДЕ и ЕД'. Указанный способ построения можно распространить и на классическую теорию прочности Мора. При таком построении каждому кругу Мора, описывающему предельные напряженные состояния в плоскости поверхности детали, ставятся в соответствие две строго определённые точки границы области статической прочности. На фиг. 5 граница полученной таким способом области статической прочности представлена в виде шестиугольника САДЕД'А', изображенного пунктирной линией.In connection with the foregoing, it is more convenient to build the boundary of the static strength region in the Oστ coordinate system, not in the form of an envelope of Mohr circles that display the maximum allowable stresses in the plane of the part surface, but in the form of an envelope of the upper and lower end points of the diameters of these circles drawn parallel to the Oτ axis, then there are points that express the magnitude of the maximum and minimum shear stresses defined by these circles. In FIG. 5, straight lines CA and CA', as well as DE and ED' are obtained in this way. This method of construction can be extended to the classical theory of Mohr's strength. With such a construction, each Mohr circle describing the limit stress states in the plane of the surface of the part is associated with two strictly defined points of the boundary of the static strength region. In FIG. 5, the boundary of the static strength region obtained in this way is represented by the hexagon SADED'A' represented by a dotted line.

Не менее распространенной в настоящее время является гипотеза прочности Хубера-Мизеса, которая основана на принятом допущении о том, что опасное состояние материала возникает по причине превышения определенного порога предельно допустимой удельной энергии деформации, связанной с изменением формы элементарных объемов этого материала [3, 4]. Согласно данной гипотезе, сложное напряжённое состояние с главными напряжениями σ1, σ2 и σ3 однозначно эквивалентному ему по разрушающей способности одноосному напряжению σ экв энерг , которое может быть определено по формуле:No less common at present is the Huber-Mises strength hypothesis, which is based on the accepted assumption that a dangerous state of a material arises due to exceeding a certain threshold of the maximum allowable specific strain energy associated with a change in the shape of the elementary volumes of this material [3, 4] . According to this hypothesis, a complex stress state with principal stresses σ1, σ2 and σ3 uniquely equivalent in terms of breaking capacity to uniaxial stress σ eq energy , which can be determined by the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где σ1 - максимальное главное напряжение в рассматриваемой точке;where σ 1 is the maximum principal stress at the point under consideration;

σ2 - второе главное напряжение в рассматриваемой точке;σ 2 - the second main stress at the considered point;

σ3 - минимальное главное напряжение в рассматриваемой точке.σ 3 is the minimum principal stress at the considered point.

В любой из гипотез прочности различные многоосные напряженные состояния посредством определенных формул приводятся к эквивалентным им по разрушающей способности, но более доступным для проведения экспериментальных исследований. Обычно в качестве такого более доступного напряженного состояния выбирают одноосное растяжение исследуемого материала. Величина напряжений, при которых во время одноосного растяжения достигнута их предельно допустимая величина σ пред , определяется экспериментально и не зависит от выбранной гипотезы прочности, поэтому круги Мора, соответствующие напряженному состоянию одноосного растяжения, в различных гипотезах прочности имеют одинаковый диаметр D круга Мора 4 (фиг. 1). Таким образом, при построении в системе координат Оστ границы области статической прочности поверхностного слоя материала по гипотезе энергии формоизменения Хубера-Мизеса круг Мора, соответствующий одноосному растяжению материала, на фиг. 6 совпадает с тем, что был выбран за основу при построении границы области статической прочности по гипотезе наибольших касательных напряжений Треска - Сен-Венана. Диаметр этого круга, проведенный параллельно оси Оτ, определяет также две точки области статической прочности, построенной на основе данных экспериментального исследования (фиг. 1 граница 1).In any of the strength hypotheses, various multiaxial stress states are reduced by means of certain formulas to equivalent ones in terms of breaking capacity, but more accessible for experimental studies. Usually, uniaxial tension of the material under study is chosen as such a more accessible stress state. The magnitude of stresses at which their maximum allowable value is reached during uniaxial tension σ before , is determined experimentally and does not depend on the chosen strength hypothesis, therefore the Mohr circles corresponding to the stress state of uniaxial tension in different strength hypotheses have the same diameterD Mohr circle 4 (Fig. 1). Thus, when constructing in the Oστ coordinate system the boundary of the static strength region of the surface layer of the material, according to the Huber-Mises deformation energy hypothesis, the Mohr circle corresponding to the uniaxial tension of the material, in Fig. 6 coincides with what was chosen as the basis for constructing the boundary of the static strength region according to the Tresca-Saint-Venant hypothesis of the highest tangential stresses. The diameter of this circle, drawn parallel to the Oτ axis, also determines two points of the static strength region constructed on the basis of experimental data (Fig. 1 boundary 1).

В случае одноосного растяжения материала

Figure 00000003
. При этом на фиг. 4 точка, соответствующая напряжению
Figure 00000004
, переместится в начало координат, а диаметры кругов Мора 6 и 7, отображающих тензоры напряжений в двух главных плоскостях, проходящих через линию действия первого главного напряжения σ1, будут иметь одинаковый диаметр D, отображающий указанную величину напряжений растяжения σ1. Подставляя в формулу (3) указанные значения напряжений
Figure 00000003
, получим, что в этом случае σ экв энерг =
Figure 00000005
. В тоже время первое главное напряжение
Figure 00000005
, является предельно допустимым напряжением:
Figure 00000006
пред .In the case of uniaxial tension of the material
Figure 00000003
. Meanwhile, in FIG. 4 point corresponding to voltage
Figure 00000004
, will move to the origin of coordinates, and the diameters of the Mohr circles 6 and 7, displaying the stress tensors in two main planes passing through the line of action of the first main stress σ 1 , will have the same diameter D , displaying the specified value of tensile stresses σ 1 . Substituting into formula (3) the indicated stress values
Figure 00000003
, we obtain that in this case σ equiv energy =
Figure 00000005
. At the same time, the first principal stress
Figure 00000005
, is the maximum allowable voltage:
Figure 00000006
before .

Как и в гипотезе наибольших касательных напряжений, в гипотезе энергии формоизменения принято, что предельные напряжения при одноосном растяжении и одноосном сжатии материала конструкции равны по модулю, поэтому круги Мора, соответствующие этим двум напряженным состояниям, на фиг. 1 и 6 имеют одинаковый диаметр D. Указанные круги Мора диаметром D определяют на фиг. 6 положения четырех точек границы области статической прочности - точек 7'.As in the hypothesis of the greatest tangential stresses, in the hypothesis of the energy of deformation it is assumed that the ultimate stresses in uniaxial tension and uniaxial compression of the material of the structure are equal in absolute value, therefore the Mohr circles corresponding to these two stress states in Fig. 1 and 6 have the same diameter D . Said Mohr circles of diameter D are defined in FIG. 6 positions of four points of the border of the static strength area - points 7'.

Построение в системе координат Оστ всего контура границы области статической прочности поверхностного слоя материала детали по гипотезе энергии формоизменения выполняют по следующему алгоритму:The construction in the Oστ coordinate system of the entire contour of the boundary of the static strength region of the surface layer of the material of the part according to the hypothesis of the formation energy is performed according to the following algorithm:

- разницы величин главных напряжений

Figure 00000007
,
Figure 00000008
и
Figure 00000009
в формуле (3) заменяют диаметрами D 1, D 2 и D 3 трех главных кругов Мора (фиг. 2 - 4), которые в системе координат Оστ в выбранном масштабе отображают плосконапряженное состояние в рассматриваемой точке детали в его трехмерном представлении. Если рассматривается предельно допустимое плосконапряженное состояние, то величину σэкв энерг заменяют диаметром D круга Мора, отображающего предельно допустимую величину напряжений в исследуемом материале при его одноосном растяжении (фиг.4), а диаметры D 1, D 2 и D 3 определяют различные сочетания трех максимально допустимых главных напряжений, действующих в рассматриваемой точке детали. В результате указанных преобразований формула (3) может быть записана в виде:- difference in the values of the principal stresses
Figure 00000007
,
Figure 00000008
and
Figure 00000009
in formula (3) is replaced by the diameters D 1 , D 2 and D 3 of the three main Mohr circles (Fig. 2 - 4), which in the Oστ coordinate system on the selected scale display the plane stress state at the considered point of the part in its three-dimensional representation. If the maximum allowable plane stress state is considered, then the value of σ equiv energy is replaced by the diameter D of the Mohr circle, which displays the maximum allowable stress in the material under study during its uniaxial tension (Fig.4), and the diameters D 1 , D 2 and D 3 determine various combinations of three the maximum allowable principal stresses acting at the considered point of the part. As a result of these transformations, formula (3) can be written as:

Figure 00000010
Figure 00000010

где D 1 , D 2 , D 3 - диаметры трех кругов Мора, отображающих предельно допустимое плосконапряженное состояние в рассматриваемой точке детали;whereD 1 ,D 2 , D 3 - diameters of three Mohr circles, representing the maximum allowable plane stress state at the considered point of the part;

D - диаметр круга Мора, отображающего предельно допустимую величину напряжений в исследуемом материале при его одноосном растяжении. В зависимости от расположения кругов Мора на фиг. 2 - 4 последовательность расположения слагаемых D 1, D 2 и D 3 в формуле (4) может не соответствовать последовательности расположения слагаемых

Figure 00000007
,
Figure 00000008
и
Figure 00000009
в формуле (3); D is the diameter of Mohr's circle, which reflects the maximum allowable stress in the material under study during its uniaxial tension. Depending on the location of the Mohr circles in Fig. 2 - 4, the sequence of the terms D 1 , D 2 and D 3 in the formula (4) may not correspond to the sequence of the terms
Figure 00000007
,
Figure 00000008
and
Figure 00000009
in formula (3);

- в выбранном масштабе строят круг Мора диаметром D (фиг. 6), который отображает экспериментально найденную величину предельного плосконапряженного состояния в исследуемом материале при его одноосном растяжении;- on the selected scale, a Mohr circle with a diameter D is built (Fig. 6), which reflects the experimentally found value of the limiting plane stress state in the material under study during its uniaxial tension;

- задают одну из возможных пропорций между диаметром круга Мора D 1, отображающего предельное плосконапряженное состояние в плоскости поверхности детали, и диаметром одного из кругов Мора, например, D 2, отображающего напряженное состояние в плоскости одой из главных площадок, расположенной перпендикулярно поверхности детали. С учетом этой пропорции через D 1 выражают диаметр D 2. После этого, принимая во внимание связь между диаметрами D 1, D 2 и D 3 трёх кругов Мора, представленных на фиг. 2 - 4, согласно которой крайние левая и правая точки двух внутренних, соприкасающихся между собой кругов, огибаются третьим кругом, через D 1 и D 2 выражают также диаметр третьего круга D 3. Так на фиг. 2 и 4 диаметр третьего круга: D 3=D 2 - D 1, а на фиг. 3: D 3=D 1 - D 2;- set one of the possible proportions between the diameter of Mohr's circle D 1 , representing the limiting plane stress state in the plane of the part surface, and the diameter of one of Mohr's circles, for example, D 2 , representing the stress state in the plane of one of the main areas located perpendicular to the surface of the part. Given this proportion, the diameter D 2 is expressed through D 1 . Thereafter, taking into account the relationship between the diameters D 1 , D 2 and D 3 of the three Mohr circles shown in FIG. 2 - 4, according to which the extreme left and right points of two internal, contacting circles, go around the third circle, the diameter of the third circle D 3 is also expressed through D 1 and D 2 . So in FIG. 2 and 4 diameter of the third circle: D 3 = D 2 - D 1 and in FIG. 3: D 3 \ u003d D 1 - D 2 ;

- диаметр D 1, а также, диаметры кругов Мора D 2 и D 3, выраженные через D 1, подставляют в формулу (4). Далее, используя формулу (4), через диаметр D круга Мора (фиг. 2 - 4, 6), который соответствует пределу текучести или достижению предела статической прочности при одноосном растяжении материала и принят в качестве круга предельных допустимых эквивалентных напряжений σ экв энерг пред , определяют диаметр D 1 круга Мора 6, отображающего предельно допустимое напряжение в плоскости поверхности детали. После этого, используя принятые пропорции между диаметрами трех кругов Мора D 1, D 2 и D 3, определяют диаметр каждого из них;- diameter D 1 , as well as the diameters of Mohr's circles D 2 and D 3 , expressed in terms of D 1 , are substituted into formula (4). Further, using formula (4), through the diameter D of the Mohr circle (Fig. 2 - 4, 6), which corresponds to the yield strength or the achievement of the static strength limit in uniaxial tension of the material and is taken as the circle of maximum allowable equivalent stresses σ eq energy = σ before , determine the diameter D 1 of Mohr's circle 6, which displays the maximum allowable stress in the plane of the surface of the part. After that, using the accepted proportions between the diameters of the three circles Mohr D 1 , D 2 and D 3 determine the diameter of each of them;

- в соответствии с расположением кругов D 1 и D 2 представленным на фиг. 2 - 4 и масштаба, принятого при построении круга Мора диаметром D, определяют положение на оси Оσ системы координат Оστ (фиг. 6) центра круга Мора 6 диаметром D 1. Через этот центр в направлении, параллельном оси Оτ проводят диаметр D 1 указанного предельного круга Мора 6, отображающего предельно допустимое плосконапряженное состояние в плоскости поверхности детали, и наносят крайние точки этого диаметра. Через эти точки при предельно допустимом тензоре напряжений, который определён начально заданной пропорцией D 1/D 2, проходит граница области допускаемых напряжений, построенная по гипотезе энергии формоизменения;- in accordance with the arrangement of circles D 1 and D 2 shown in FIG. 2 - 4 and the scale adopted when constructing the Mohr circle with a diameter D determine the position on the Oσ axis of the coordinate system Oστ (Fig. 6) of the center of the Mohr circle 6 with a diameter D 1 . Through this center in the direction parallel to the axis Oτ, the diameter D 1 of the specified Mohr limit circle 6 is drawn, which reflects the maximum allowable plane-stressed state in the plane of the surface of the part, and the extreme points of this diameter are applied. Through these points, at the maximum allowable stress tensor, which is determined by the initially given proportion D 1 / D 2 , the boundary of the allowable stress area, built on the hypothesis of the energy of shape change, passes;

- задавая другие пропорции между D 1 и D 2 можно рассчитать координаты и построить в системе координат Оστ любые другие точки границы области допускаемых плосконапряженных состояний. При ограниченном количестве построенных таким образом точек приближенное построение границы области предельных плосконапряженных состояний выполняют путем плавного соединения построенных указанным образом точек (фиг. 6).- by setting other proportions between D 1 and D 2 , it is possible to calculate the coordinates and construct in the Oστ coordinate system any other points of the boundary of the area of permissible plane stress states. With a limited number of points constructed in this way, an approximate construction of the boundary of the region of limiting plane stress states is performed by smoothly connecting the points constructed in this way (Fig. 6).

Пропорции D1/D2, которые задавались при вычислении диаметров D 1 кругов Мора, отображающих по гипотезе прочности энергии формоизменения различные предельно допустимые тензоры напряжений в плоскости плосконапряженного состояния, действующего на поверхности детали, а также полученные при этом значения D 1 и номера точек, которые в плоскости плосконапряженного состояния определяют границу области статической прочности материала детали, приведены в таблице.The proportions D 1 /D 2 that were set when calculating the diameters D 1 of Mohr's circles, which, according to the hypothesis of the strength of the energy of form change, display various maximum allowable stress tensors in the plane of the plane stress state acting on the surface of the part, as well as the values of D 1 and point numbers obtained in this case, which in the plane of the plane stressed state define the boundary of the static strength region of the material of the part, are given in the table.

D1/D2 D1 / D2 22 33 4four 5five 1010 2020 D1 D1 1,155D1.155D 1,134D1.134D 1,109D1.109D 1,091D1.091D 1,048D1.048D 1,025D1.025D № точек
на фиг. 6
No. of points
in fig. 6
1'1' 2'2' 3'3' 4'four' 5'five' 6'6'
D1/D2 D1 / D2 11 19/2019/20 9/109/10 4/54/5 3/43/4 2/32/3 D1 D1 DD 0,973D0.973D 0,943D0.943D 0,873D0.873D 0,832D0.832D 0,756D0.756D № точек
на фиг. 6
No. of points
in fig. 6
7'7' 8'8' 9'nine' 10'10' 11'eleven' 12'12'
D1/D2 D1 / D2 1/21/2 1/31/3 1/41/4 1/51/5 1/101/10 1/201/20 D1 D1 0,577D0.577D 0,378D0.378D 0,277D0.277D 0,218D0.218D 0,105D0.105D 0,051D0.051D № точек
на фиг. 6
No. of points
in fig. 6
13'13' 14'fourteen' 15'15' 16'sixteen' 17'17' 18'eighteen'

Граница области предельных плосконапряженных состояний материала детали, построенная по этим точкам, представлена на фиг. 6.The boundary of the region of limiting plane stress states of the material of the part, constructed from these points, is shown in Fig. 6.

Полученные разными способами границы 1, 2, 3 областей предельных плосконапряженных состояний в поверхностном слое материала детали (фиг. 1) отличаются друг от друга. Наиболее точное представление о предельных плосконапряженных состояниях в поверхностном слое материала детали определяет граница 1, так как, в отличие от двух других, эта граница построена не по гипотезам прочности, а по данным экспериментального исследования по определению потери несущей способности материала при различных комбинациях компонентов тензора напряжений в испытываемых образцах из материала детали. Граница 1 в частности, позволяет учитывать различие статической прочности при одинаковых по модулю величинах напряжений растяжения и сжатия.Obtained in different ways, the boundaries 1, 2, 3 of the areas of limit plane stress states in the surface layer of the material of the part (Fig. 1) differ from each other. The most accurate representation of the limiting plane stress states in the surface layer of the material of the part is determined by boundary 1, since, unlike the other two, this boundary is not built according to strength hypotheses, but according to experimental data to determine the loss of the material's bearing capacity for various combinations of stress tensor components in test samples from the material of the part. Boundary 1, in particular, makes it possible to take into account the difference in static strength at the same modulus of tensile and compressive stresses.

Сравнение границ статической прочности 2 и 3 (фиг. 1), построенных, соответственно, по гипотезе наибольших касательных напряжений Треска-Сен-Венана и по гипотезе энергии изменения формы Хубера-Мизеса показывает, что более жесткие, более консервативные требования к прочности устанавливает гипотеза наибольших касательных напряжений Треска - Сен-Венана. Максимальная разница предельных напряжений по двум указанным гипотезам достигает 13 % и наблюдается в том случае, когда в формуле (3) |σ1 - σ2|= |σ2 - σ3|, а в формуле (4) диаметры двух внутренних кругов Мора равны между собой: D 1=D 3 или D 2=D 3 (см. фиг. 2 - 4). Указанные плосконапряженные состояния на фиг. 6 и в таблице 1 обозначены номерами точек 1' (чистый сдвиг) и 13' (равномерное растяжение или сжатие поверхностного слоя материала по двум главным направлениям).Comparison of the static strength boundaries 2 and 3 (Fig. 1), constructed, respectively, according to the Tresca-Saint-Venant hypothesis of the greatest tangential stresses and according to the Huber-Mises shape change energy hypothesis, shows that more stringent, more conservative strength requirements are set by the hypothesis of the greatest shear stress Cod - Saint-Venant. The maximum difference in ultimate stresses according to the two indicated hypotheses reaches 13% and is observed when in formula (3) |σ 1 - σ 2 |= |σ 2 - σ 3 |, and in formula (4) the diameters of two inner Mohr circles equal to each other: D 1 = D 3 or D 2 = D 3 (see Fig. 2 - 4). The indicated plane stress states in Figs. 6 and in Table 1 are designated by point numbers 1' (pure shear) and 13' (uniform tension or compression of the surface layer of the material in two main directions).

В настоящее время запас статической прочности n в исследуемой плосконапряженной зоне детали обычно вычисляют путем определения отношения величины предельно допустимых напряжений в материале детали к максимальным эквивалентным напряжениям, возникающим в исследуемой зоне детали в процессе её нагружения. Численную величину предельно допустимых напряжений при этом устанавливают на основе данных экспериментального исследования о разрушении или начале текучести образцов из материала детали при их одноосном растяжении. Численная величина эквивалентных напряжений, возникающих в исследуемой зоне детали, может быть определена путем пересчета значений компонентов тензора напряжений в этой зоне по соответствующей формуле (2 или 3) применяемой при этом гипотезы прочности.At present, the static strength margin n in the studied plane stressed zone of the part is usually calculated by determining the ratio of the maximum allowable stresses in the material of the part to the maximum equivalent stresses that occur in the investigated zone of the part during its loading. In this case, the numerical value of the maximum allowable stresses is established on the basis of data from an experimental study on the destruction or the beginning of the yield of samples from the material of the part during their uniaxial tension. The numerical value of the equivalent stresses arising in the studied zone of the part can be determined by recalculating the values of the stress tensor components in this zone according to the corresponding formula (2 or 3) of the strength hypothesis used in this case.

Используя границы 2 и 3, построенные на фиг. 1 расчетным способом, запас статической прочности n в исследуемой зоне поверхности детали может также быть вычислен по формуле (1). При этом прямую ОА продолжают до пересечения с одной из указанных границ 2 или 3. Точку В переносят в точку пересечения указанных границ с прямой ОА. Расчет запаса n статической прочности по формуле (1) при этом выполняется с учетом изменившегося расстояния от точки О до точки В.Using boundaries 2 and 3, constructed in Fig. 1 by calculation, the margin of static strength n in the investigated area of the surface of the part can also be calculated by formula (1). In this case, the straight line OA is continued until it intersects with one of the specified boundaries 2 or 3. Point B is transferred to the point of intersection of the indicated boundaries with the straight line OA. The calculation of the static strength margin n according to formula (1) is carried out taking into account the changed distance from point O to point B.

Для увеличения точности расчета запаса статической прочности n в исследуемой зоне поверхности детали с использованием гипотез прочности применяют ту из этих гипотез, согласно которой граница области предельных плосконапряженных состояний материала детали, построенная расчетным путем, в наибольшей мере повторяет границу предельных плосконапряженных состояний материала детали, построенную экспериментально. С целью снижения рисков получения при этом заниженного коэффициента запаса статической прочности n необходимо, чтобы граница области статической прочности, построенная по формулам применяемой гипотезы прочности, находилась внутри границы 1 (фиг. 1), построенной экспериментальным путем. В зонах плосконапряженного состояния, где такое условие не выполнено, определение коэффициента запаса статической прочности n по соответствующей гипотезе прочности приведет к завышенным результатам. Поэтому в таких зонах коэффициент запаса статической прочности необходимо уточнить, рассчитывая его по формуле (1), при этом точка В является точкой пересечения прямой ОА и границы, построенной на основе данных экспериментального исследования.To increase the accuracy of calculating the margin of static strength n in the studied area of the part surface using strength hypotheses, one of these hypotheses is used, according to which the boundary of the area of limiting plane stress states of the part material, constructed by calculation, to the greatest extent repeats the boundary of limiting plane stress states of the part material, constructed experimentally . In order to reduce the risks of obtaining, in this case, an underestimated static strength factor n, it is necessary that the boundary of the static strength region, constructed according to the formulas of the applied strength hypothesis, be inside boundary 1 (Fig. 1), constructed experimentally. In zones of a plane stressed state, where such a condition is not met, the determination of the static strength factor n according to the corresponding strength hypothesis will lead to overestimated results. Therefore, in such zones, the static strength factor must be specified by calculating it according to formula (1), while point B is the point of intersection of the straight line OA and the boundary constructed on the basis of experimental data.

Таким образом, предложен способ определения статической прочности сложнонапряженной детали вне зон воздействия на неё внешних контактных сил, в котором в системе координат Оστ изображают границы тензоров предельных плосконапряженных состояний в поверхностном слое материала детали, построенные экспериментальным путем и по различным гипотезам прочности. При построении границы области статической прочности поверхностного слоя материала детали на основе экспериментальных данных выполняется учет влияния не двух, а трех главных напряжений, одно из которых всегда равно нулю. По сравнению со способом, применяемым в классической теории прочности Мора, это увеличивает точность построения такой границы и достоверность результатов расчета статической прочности детали с использованием такой границы.Thus, a method is proposed for determining the static strength of a complexly stressed part outside the zones of external contact forces on it, in which the boundaries of the tensors of limiting plane stress states in the surface layer of the material of the part are depicted in the Oστ coordinate system, built experimentally and according to various strength hypotheses. When constructing the boundary of the static strength region of the surface layer of the material of the part, based on experimental data, the influence of not two, but three main stresses, one of which is always equal to zero, is taken into account. Compared to the method used in Mohr's classical theory of strength, this increases the accuracy of constructing such a boundary and the reliability of the results of calculating the static strength of a part using such a boundary.

Выполнить расчет статической прочности сложнонапряженной детали вне зон воздействия на неё контактных сил предлагаемым способом, проще, чем применяя для этих целей классическую теорию прочности Мора. Это обусловлено тем, что при использовании классической теории прочности Мора в исследуемой зоне детали необходимо экспериментальным или расчетным путем определить не два, а три главных напряжения σ1, σ2 и σ3, сравнить эти напряжения между собой, после чего учесть из них только максимальное σ1 и минимальное σ3, в то время как в предлагаемом способе выполняют учет только двух главных напряжений, действующих в плоскости плосконапряженного состояния. Возможность в предложенном способе наглядного сравнения границ области статической прочности, построенных по различным гипотезам прочности, с границей, построенной на основе данных эксперимента, позволяет подобрать для каждого материала детали наиболее подходящую гипотезу прочности, согласно которой граница области предельных допустимых плосконапряженных состояний этого материала точнее повторяет границу, построенную по данным эксперимента. Предложенный способ построения границы области статической прочности материала детали не в виде огибающей предельных кругов Мора, а в виде огибающей точек, отображающих максимальные касательные напряжения на этих кругах, позволит более точно построить указанную границу по сравнению с классическим методом Мора.It is easier to calculate the static strength of a complexly stressed part outside the zones of influence of contact forces on it by the proposed method than using Mohr's classical theory of strength for these purposes. This is due to the fact that when using the classical theory of Mohr's strength in the studied area of the part, it is necessary to determine experimentally or by calculation not two, but three main stresses σ 1 , σ 2 and σ 3 , compare these stresses with each other, and then take into account only the maximum σ 1 and minimum σ 3 , while in the proposed method, only two principal stresses acting in the plane of the plane stress state are taken into account. The possibility in the proposed method of visual comparison of the boundaries of the static strength region, constructed according to various strength hypotheses, with the boundary, constructed on the basis of experimental data, allows you to select the most suitable strength hypothesis for each material of the part, according to which the boundary of the area of limiting allowable plane stress states of this material more accurately repeats the boundary constructed from the experimental data. The proposed method for constructing the boundary of the area of static strength of the material of the part, not in the form of an envelope of Mohr's limiting circles, but in the form of an envelope of points representing the maximum shear stresses on these circles, will make it possible to more accurately construct the specified boundary compared to the classical Mohr method.

Список используемых источников:List of sources used:

1. Вахромеев, А.М. Определение циклической долговечности материалов и конструкций транспортных средств: методические указания - М.: МАДИ, 2015. - 64 с.1. Vakhromeev, A.M. Determination of the cyclic durability of materials and structures of vehicles: guidelines - M.: MADI, 2015. - 64 p.

2. Патент на изобретение № 2697022. Способ графической записи изменения двухосных напряжений в рассматриваемой точке поверхности детали (варианты).2. Patent for invention No. 2697022. Method for graphic recording of changes in biaxial stresses at the considered point of the part surface (options).

3. В. И. Феодосьев Сопротивление материалов. Издание седьмое, переработанное. М. Наука, 1974. - 560 с.3. V. I. Feodos’ev Strength of materials. Seventh edition, revised. M. Nauka, 1974. - 560 p.

4. И.М. Беляев Сопротивление материалов. Издание двенадцатое. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. - 856 с.4. I.M. Belyaev Strength of materials. Twelfth edition. M.: State publishing house of physical and mathematical literature, 1959. - 856 p.

Claims (2)

1. Способ определения статической прочности сложнонапряженной детали вне зон воздействия на неё контактных сил, включающий построение в прямоугольной системе координат Оστ графической записи малоцикловой смены тензоров двухосных напряжений в рассматриваемой точке поверхности детали в процессе её эксплуатации, выполняемой в виде серии кругов Мора, построенных на основе данных о двухосных напряжениях в этой точке в последовательно взятые моменты времени, с центрами кругов Мора, расположенными на оси Оσ, направление которой связано с выбранным направлением на поверхности исследуемой детали, также включающий построение в той же прямоугольной системе координат Оστ границы области предельных напряженных состояний материала детали, построенной путем обобщения отдельных экспериментальных данных, которые отображены в виде серии предельных кругов Мора, описывающих различные, доступные для получения при проведении испытаний тензоры предельных напряженных состояний в образцах из материала детали, отличающийся тем, что по данным экспериментального исследования, проводимого на образцах из материала детали, определяют точные величины различных сочетаний компонентов тензоров плосконапряженного состояния, при которых достигается предел текучести или предел статической прочности материала детали, указанные сочетания компонентов тензоров плосконапряженного состояния отображают в прямоугольной системе координат Оστ в виде серии предельных кругов Мора, затем путем проведения параллельно оси Оτ диаметров предельных кругов Мора и последующего построения линии, огибающей точки пересечения этих диаметров с окружностями, ограничивающими указанные предельные круги Мора, выполняют построение границы области предельных плосконапряженных состояний материала детали, при этом критерием обеспечения статической прочности исследуемой зоны детали является расположение точек пересечения диаметров, проведенных параллельно оси Оτ во всех кругах Мора, отображающих отдельные плосконапряженные состояния, возникающие в исследуемой зоне поверхностного слоя детали, с окружностями, ограничивающими эти круги, внутри границ области предельных плосконапряженных состояний, дополнительно определяют уточненный запас статической прочности n в исследуемой зоне поверхности детали путем выявления отношения максимально допустимых касательных напряжений в материале детали, выявленных по данным экспериментального исследования, к максимальным касательным напряжениям, возникающим в исследуемой зоне детали при одинаковом соотношении всех компонентов тензоров сравниваемых между собой плосконапряженных состояний.1. A method for determining the static strength of a complexly stressed part outside the zones of contact forces on it, including the construction in a rectangular coordinate system Оστ of a graphical record of a low-cycle change of biaxial stress tensors at the considered point of the part surface during its operation, performed in the form of a series of Mohr circles, built on the basis of data on biaxial stresses at this point at successively taken moments of time, with the centers of the Mohr circles located on the Oσ axis, the direction of which is associated with the chosen direction on the surface of the part under study, also including the construction in the same rectangular coordinate system Oστ of the boundary of the region of limit stress states of the material part, constructed by summarizing individual experimental data, which are displayed as a series of Mohr's limit circles, describing various tensors of limit stress states available for obtaining during testing in samples from the material of the part , characterized in that, according to the data of an experimental study carried out on samples of the material of the part, the exact values of various combinations of the components of the plane stress tensors are determined, at which the yield strength or static strength of the material of the part is reached, these combinations of the components of the plane stress tensors are displayed in a rectangular coordinate system Оστ in the form of a series of Mohr limit circles, then by drawing the diameters of the Mohr limit circles parallel to the Oτ axis and then constructing a line that envelops the point of intersection of these diameters with the circles bounding the indicated Mohr limit circles, the boundary of the area of limit plane stress states of the material of the part is constructed, while the criterion for providing static strength of the studied zone of the part is the location of the intersection points of the diameters, drawn parallel to the Oτ axis in all Mohr circles, displaying individual plane stress states, in parts arising in the investigated area of the surface layer, with circles bounding these circles, inside the boundaries of the area of limit plane stress states, additionally determine the refined static strength margin n in the studied area of the surface of the part by identifying the ratio of the maximum allowable shear stresses in the material of the part, identified from the data of the experimental study , to the maximum tangential stresses arising in the investigated zone of the part with the same ratio of all components of the tensors of the plane stress states being compared with each other. 2. Способ определения статической прочности сложнонапряженной детали вне зон воздействия на неё контактных сил, включающий построение в прямоугольной системе координат Оστ графической записи малоцикловой смены тензоров двухосных напряжений в рассматриваемой точке поверхности детали в процессе её эксплуатации, выполняемой в виде серии кругов Мора, построенных на основе данных о двухосных напряжениях в этой точке в последовательно взятые моменты времени, с центрами кругов Мора, расположенными на оси Оσ, направление которой связано с выбранным направлением на поверхности исследуемой детали, также включающий построение в той же прямоугольной системе координат Оστ границы области предельных напряженных состояний материала детали, построенной путем обобщения отдельных экспериментальных данных, которые отображены в виде серии предельных кругов Мора, описывающих различные, доступные для получения при проведении испытаний тензоры предельных напряженных состояний в образцах из материала детали, отличающийся тем, что построение границы области предельных плосконапряженных состояний материала детали в прямоугольной системе координат Оστ выполняют путем построения по каждой из гипотез прочности при различных тензорах напряжений серии предельных кругов Мора, параллельно оси Оτ проводят диаметры указанных предельных кругов Мора и строят линию, огибающую точки пересечения этих диаметров с окружностями, ограничивающими указанные предельные круги Мора, выбирают ту границу области предельных плосконапряженных состояний, которая в наибольшей мере повторяет границу, построенную экспериментальным путем, при этом критерием обеспечения статической прочности исследуемой зоны детали является расположение точек пересечения диаметров, проведенных параллельно оси Оτ, во всех кругах Мора, которые отображают отдельные плосконапряженные состояния, возникающие в исследуемой зоне поверхностного слоя детали, с окружностями, ограничивающими эти круги, внутри указанной границы области предельных плосконапряженных состояний, дополнительно определяют запас статической прочности n в исследуемой зоне поверхности детали путем выявления отношения максимально допустимых касательных напряжений в материале детали, полученных по формулам той гипотезы прочности, согласно которой построена граница области предельных плосконапряженных состояний, в наибольшей степени совпадающая с границей, построенной экспериментальным путем, к максимальным касательным напряжениям, возникающим в исследуемой зоне детали, при одинаковом соотношении всех компонентов тензоров сравниваемых между собой плосконапряженных состояний.2. A method for determining the static strength of a complexly stressed part outside the zones of contact forces on it, including the construction in a rectangular coordinate system Оστ of a graphical record of a low-cycle change of biaxial stress tensors at the considered point of the part surface during its operation, performed in the form of a series of Mohr circles, built on the basis of data on biaxial stresses at this point at successively taken moments of time, with the centers of the Mohr circles located on the Oσ axis, the direction of which is associated with the chosen direction on the surface of the part under study, also including the construction in the same rectangular coordinate system Oστ of the boundary of the region of limit stress states of the material a part constructed by summarizing individual experimental data, which are displayed as a series of Mohr limit circles that describe various tensors of limit stress states available for testing in samples from the material of the part, characterized in that the construction of the boundary of the area of limiting plane-stressed states of the material of the part in a rectangular coordinate system Оστ is performed by constructing for each of the hypotheses of strength at different stress tensors of a series of Mohr limit circles, the diameters of the indicated Mohr limit circles are drawn parallel to the Oτ axis and a line is drawn that envelops the intersection points these diameters with circles bounding the indicated limiting Mohr circles, choose the boundary of the area of limiting plane stress states that most closely repeats the boundary constructed experimentally, while the criterion for ensuring the static strength of the investigated zone of the part is the location of the intersection points of the diameters drawn parallel to the Oτ axis, in all Mohr circles, which display individual plane stress states that occur in the investigated area of the surface layer of the part, with circles bounding these circles, inside the specified boundary of the area of limit plane stress states, additionally determine the margin of static strength n in the investigated area of the surface of the part by identifying the ratio of the maximum allowable shear stresses in the material of the part, obtained by the formulas of that hypothesis of strength, according to which the boundary of the area of limiting plane stress states is constructed, which most closely matches the boundary constructed by the experimental way, to the maximum tangential stresses arising in the investigated zone of the part, with the same ratio of all components of the tensors of the compared plane stress states.
RU2022100731A 2022-01-14 Method for determining the static strength of a complex stressed part outside the zones of contact forces acting on it (variants) RU2787307C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2787307C1 true RU2787307C1 (en) 2023-01-09

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2267121C1 (en) * 2004-05-13 2005-12-27 Закрытое акционерное общество "Прочность" Method of predicting metal resource of object
RU2625360C2 (en) * 2015-11-23 2017-07-13 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательское, проектное и производственное предприятие по природоохранной деятельности "Недра" (ООО НИППППД "НЕДРА") Materials stress state evaluation method
RU2697022C1 (en) * 2018-08-24 2019-08-08 Акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава" (АО "ВНИКТИ") Method of graphic recording of change of two-axial stresses in the considered point of the part surface (versions)
US20200217730A1 (en) * 2019-01-08 2020-07-09 Harbin Institute Of Technology, Shenzhen Method for determining plane stresses on in-service steel structure member based on phase spectrum of ultrasonic transverse wave

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2267121C1 (en) * 2004-05-13 2005-12-27 Закрытое акционерное общество "Прочность" Method of predicting metal resource of object
RU2625360C2 (en) * 2015-11-23 2017-07-13 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательское, проектное и производственное предприятие по природоохранной деятельности "Недра" (ООО НИППППД "НЕДРА") Materials stress state evaluation method
RU2697022C1 (en) * 2018-08-24 2019-08-08 Акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава" (АО "ВНИКТИ") Method of graphic recording of change of two-axial stresses in the considered point of the part surface (versions)
US20200217730A1 (en) * 2019-01-08 2020-07-09 Harbin Institute Of Technology, Shenzhen Method for determining plane stresses on in-service steel structure member based on phase spectrum of ultrasonic transverse wave

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sajith et al. Experimental and numerical investigation of mixed mode fatigue crack growth models in aluminum 6061-T6
Daily et al. Cell poking. Determination of the elastic area compressibility modulus of the erythrocyte membrane
Macek et al. A fractographic study exploring the fracture surface topography of S355J2 steel after pseudo-random bending-torsion fatigue tests
Hertel et al. Short-crack-growth-based fatigue assessment of notched components under multiaxial variable amplitude loading
Mozafari et al. Fatigue life prediction under variable amplitude loading using a microplasticity-based constitutive model
Santos et al. On the determination of flow stress using bulge test and mechanical measurement
Shlyannikov et al. Distinctive features of crack growth rate for assumed pure mode II conditions
US10564078B2 (en) Method for controlling cracking of a material and associated device for the implementation thereof
Claire et al. Identification of a damage law by using full-field displacement measurements
WO2021196462A1 (en) Static identification method for damage to simply supported beam under uncertain load
Gandiolle et al. A non-collinear fretting-fatigue experiment to compare multiaxial fatigue criteria: critical shear plane strategy is better than invariant formulations
RU2787307C1 (en) Method for determining the static strength of a complex stressed part outside the zones of contact forces acting on it (variants)
Wang Two-parameter characterization of elastic–plastic crack front fields: surface cracked plates under uniaxial and biaxial bending
Miljojković et al. DETERMINING ELASTIC MODULUS OF THE MATERIAL BY MEASURING THE DEFLECTION OF THE BEAM LOADED IN BENDING.
Hou et al. The M-integral in fracture and damage mechanics: A review of developments and applications
Nohut et al. Determination of the multiaxial failure criteria for alumina ceramics under tension–torsion test
Wang et al. Critical plane approach to multiaxial variable amplitude fatigue loading
Hutson et al. Effect of sample thickness on local contact behavior in a flat-on-flat fretting fatigue apparatus
Ferreira et al. A contribution to the identification of the critical plane using the maximum variance method
Matos et al. Life prediction of 6201-T81 aluminum alloy wires under fretting fatigue and variable amplitude loading
Marek et al. Distortional hardening cyclic plasticity: Experiments and modeling
Lokoshchenko Modeling the long-term strength of metals in an unsteady complex stress state
Rodriguez Linear elastic fracture mechanics analysis of fatigue crack growth under complex loading using the Digital Image Correlation technique
Bogusz et al. Evaluation of true stress in engineering materials using optical deformation measurement methods
Line et al. A Prestressed Concrete Column Under Eccentric Loading