Лекция 8. Запас прочности Лекция 8
Цель лекции: усвоение практических инженерных навыков по выбору коэффициентов запаса прочности в зависимости от видов нагрузки и ответственности конструкции.
8.1 Понятие о временном пределе прочности. Выбор коэффициентов запаса прочности в зависимости от степени напряженности и ответственности элементов энергетического оборудования
Временным пределом прочности называют напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, при которой испытываемый образец переходит в зону пластической деформации, металл «течет» и происходит разрыв. Поэтому это предельное напряжение называется также временным сопротивлением – в.
Выбор допускаемых напряжений производится с учетом коэффициентов запаса прочности, которые по своему определению всегда и при любых обстоятельствах должны быть больше единицы.
Допускаемые напряжения выбирают в зависимости от предельных физических напряжений из формул (3.4), рассмотренных в лекции № 3:
где σпред ; τпред , н/мм2 – предельные нормальные и тангенциальные напряжения по сортаменту металла;
[ п] – требуемый коэффициент запаса прочности.
За предельные напряжения при постоянных нагрузках принимается одна из характеристик:
σТ или τТ – предел текучести (для вязких металлов – сталь);
σВ – временной предел прочности (для хрупких металлов – чугун).
При переменных нагрузках за предельные напряжения принимаются характеристики усталости металла:
σ-1 ; τ-1 – предел усталости.
При выборе предельных напряжений с учетом марок сталей и видов нагружения можно воспользоваться рекомендациями:
σТ изгиб =1,1· σТ – для легированных сталей;
σТ изгиб =1,2· σТ – для углеродистых сталей;
τТ = 0,6 · σТ – для любых сталей;
σ-1 раст = 0,35 · σВ ;
σ-1 изгиб = (0,40 ÷ 0,45) · σВ;
τ-1 = 0,25 · σВ – кручение.
При действии переменных напряжений с амплитудой цикла (σа) и (τа) расчетные коэффициенты запаса прочности определяют по формулам:
– для случая нормальных напряжений (изгиб, растяжение – сжатие)
(8.1)
– для случая касательных напряжений (кручение, срез)
(8.2)
При совместном действии переменных нормальных и касательных напряжений, например, при изгибе с кручением, общий коэффициент запаса прочности определяют по формуле:
(8.3)
где nσ и nτ – коэффициенты, определенные по формулам (8.1), (8.2).
Выбор коэффициентов запаса прочности в энергетике осуществляется на основе опыта проектирования и эксплуатации теплосилового оборудования. В ряде случаев приходится снижать коэффициент запаса прочности в целях уменьшения веса конструкции, а иногда – увеличивать, если требуется учитывать повышенный коррозионный и температурный износ.
Величина нормативных коэффициентов запаса прочности зависит также от класса конструкции, намечаемого срока ее эксплуатации, вида нагрузки (статическая, циклическая и т.д.).
Суммарный требуемый коэффициент запаса прочности принято определять как произведение трех частных допускаемых коэффициентов запаса:
[ п] = [п1] · [п2] ·[п3] , (8.4)
где [п1] = 1,3 ÷ 3,0 – коэффициент, отражающий влияние точности определения действующих на деталь нагрузок, достаточность или недостаточность данных по учету концентрации напряжений. Если необходимо повысить жесткость детали, то [п1] может принимать бóльшие значения;
[п2] = 1,2 ÷ 2,5 – коэффициент, учитывающий однородность материала, его пластичность, чувствительность к недостаткам механической обработки, нарушения технологии изготовления;
[п3] = 1 ÷ 2 – коэффициент, который вводится для обеспечения дополнительного запаса прочности, обусловленного ответственностью детали или влиянием большей усталостной долговечности.
Для коэффициента способа получения изделия [п2] можно принять следующие рекомендации:
а) = 1,2 1,5 – поковка;
б) = 1,5 1,8 – стальное литье;
в) = 1,5 2,5 – чугунное литье.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература
1. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды / В. С. Котельников, Н. А. Хапонен, А. А. Шельпяков (Госгортехнадзор России). – М. : АООТ «НПО ЦКТИ», 1999. – 227 с.
2. Александров, А. В., Потапов, В. Д., Державин, Б. П. Сопротивление материалов : Учеб. для вузов. – М. : Высшая школа, 2000. – 560 с.
3. Детали машин : Учебник для вузов / Л. А. Андриенко, Б. А. Байков, И. К. Ганулич и др.; Под ред. О. А. Ряховского. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. – 544 с.
Список дополнительной литературы
1.Хисматулин Е. Р. Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник / Е. Р. Хисматулин – М. : Машиностроение, 1990.– 384 с.
2. Воронин, А. И., Стоянов, Н. И. Методические указания и задания на курсовую работу по дисциплине: «Специальные вопросы расчетов на прочность» для студентов специальности 29.07.00. – Ставрополь : СевКавГТУ, 2001. – 23 с.
3. Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя : В 3-х т. М. : Машиностроение, 1999. – Т 1. – 912 с.; Т 2. – 880 с.; Т 3. – 848 с.
Учебное издание
Воронин Александр Ильич
ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕМЕНТОВ