- •Введение
- •Влияние на усталостную прочность состояния поверхности и размеров деталей
- •Определение запаса усталостной прочности
- •Примеры расчетов вала с галтелью на прочность
- •Концентрация напряжений около отверстий
- •Вопросы для самоконтроля
- •Прочностной анализ элементов пространственных конструкций с помощью программы
- •Постановка задач и результаты расчета
- •Вопросы для самоконтроля
- •2.2 Методики проведения прочностного расчета с использованием программы Autodesk Simulation Multiphysics
- •Определение местных напряжений около отверстий в пластинах при одноосном растяжении
- •Справка:
- •Определение местных напряжений и деформаций в кольцевых канавках и галтелях круглого стержня при различных видах нагрузки
- •Кольцевая канавка
- •2.2.2.2. Вал с галтельным переходом
- •Справка:
- •Словарик:
- •Методика проведения прочностного расчета для осесимметричных моделей
- •Моделирование напряженного состояния цилиндра с поршнем, нагруженного внутренним давлением. Статика
- •Создание 3d модели осесимметричного цилиндра и расчет
- •Справка:
- •Справка:
- •Part 4. Поршень
- •Определить тип, геометрию, материал частей
- •Определить контакт между частями
- •Определение закреплений
- •Выполнить срез модели
- •Результаты расчета
- •Вопросы для самоконтроля
- •Методика расчета сосудов, находящихся под действием внутреннего давления с линейными свойствами материалов
- •Принципиальная методика работы по расчету статических напряжений 3d модели с линейными свойствами материалов и нелинейной прокладкой
- •Расчет прокладки с нелинейными свойствами
- •Задать тип анализа
- •Задать свойства верхней и нижней детали
- •Задать свойства прокладки
- •Вопросы для самоконтроля
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •В авторской редакции Компьютерный набор е.А. Балаганской
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Е.А. Балаганская
КОНСТРУИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФОРМ
Учебное пособие
Воронеж 2015
ФГБОУ ВПО
«Воронежский государственный технический университет»
Е.А. Балаганская
КОНСТРУИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ
ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФОРМ
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2015
УДК 744/038
Балаганская Е.А. Конструирование сложных пространственных форм: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (7,7 Мб) / Е.А. Балаганская. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024x76; MS Word 2007 или более поздняя версия; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.
В учебном пособии даны методы проектирования сложных деталей и конструкций традиционными методами и методами с использованием компьютерных технологий.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 230400.62 «Информационные системы и технологии», профилю «Информационные технологии в дизайне», дисциплине «Теория конструирования сложных пространственных форм».
Табл. 1. Ил. 46. Библиогр.: 5 назв.
Рецензенты: кафедра информатики и графики ВГАСУ
(д-р техн наук, проф. Ю.А. Цеханов);
директор по САПР и комплексным решениям ООО «Консалтинг Солюшинз Технолоджис»
(г. Воронеж) Д.Ю. Левин
Балаганская Е.А., 2015
Оформление. ФГБОУ ВПО
«Воронежский государственный
технический университет», 2015
Введение
В данном учебном пособии уделяется внимание изучению методик проведения прочностных расчетов деталей и конструкций сложных пространственных форм как методами обычного инженерного расчета, так и с использованием программы Autodesk Simulation Multiphysics.
Внедрение продукта Autodesk Simulation Multiphysics 2015 в учебный процесс подготовки студентов, специализирующихся на информационных технологиях в промышленном дизайне, позволяет подготавливать специалистов, владеющих современными средствами инженерного анализа. А именно прочностной расчет является основным при создании новой техники и разработке новых технологий.
При изучении данной дисциплины студенты получают знания основных понятий и теорем механики, позволяющие проектировать изделия. Они учатся проводить проектировочные и проверочные расчеты пространственных конструкций. Студенты овладевают методами, позволяющими проводить инженерный анализ, основанный на прочностном расчете. Прочность является основным критерием надежности и работоспособности изделия, поэтому прочностной расчет является одним из самых распространенным инженерным анализом конструкций. Курс дисциплины позволяет дать основные понятия, методики проведения таких расчетов.
В пособии рассмотрены некоторые базовые методы инженерных расчетов конструкций пространственных тел. Дана методика исследование механико-математических моделей сложных пространственных конструкций. Большое внимание уделено влиянию конструктивных элементов, ослабляющих прочность изделия.
ИЗУЧЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ
И ДЕФОРМАЦИЙ В ДЕТАЛЯХ МАШИН
Влияние на усталостную прочность
концентрации напряжений
Ряд деталей машин имеют зоны концентрации напряжений определяемые конструктивными или технологическими требованиями. Концентрация напряжений около таких зон вызывает недопустимые деформации и даже появление трещин. Это приводит к преждевременному разрушению детали и выходу из строя всей машины.
Концентрация напряжений – один из основных факторов при расчетах на усталостную прочность. В зонах резкого изменения в форме упругого тела (отверстия, выточки, углы и т. п.), а так же в зоне контакта деталей возникают повышенные напряжения. Например, при растяжении полосы с небольшим отверстием закон равномерного распределения напряжений вблизи отверстия нарушается. Напряженное состояние становится двуосным, а у края отверстия появляется пик напряжения (рис.1 а). При изгибе ступенчатого вала в зоне галтельного перехода возникает повышенное напряжение, величина которого зависит в первую очередь от радиуса закругления r (рис.1 б). При прессовой посадке втулки на вал (рис.1 в) у конца втулки и вала также возникают местные напряжения. Это явление называется концентрацией напряжений. Зона распространения повышенных напряжений ограничена узкой областью, расположенной в окрестности очага концентрации напряжений. Так как эта область носит локальный характер, эти напряжения носят название местных напряжений [3].
Рис. 1. Зоны концентрации напряжений:
а) у края отверстий,
б) при изгибе ступенчатого вала,
в) при прессовой посадке втулки
Основным показателем концентрации напряжений является теоретический коэффициент концентрации напряжений:
где - наибольшее местное напряжение, а - номинальное напряжение (определяется по формулам сопротивления материалов без учета эффекта концентрации). Подсчет обычно ведется по наиболее ослабленному сечению А-А (рис.1). Это может быть отверстие: , изгиб ступенчатого вала [3].
Возможно рассчитывать в неослабленном сечении. Например, при кручении вала, имеющего поперечное отверстие (рис.2): , где – полярный момент сопротивления неослабленного сечения [3].
Рис. 2. Вал, нагруженный крутящим моментом с поперечным сечением
Величина коэффициента концентрации для типовых конструктивных элементов и представлены в виде графиков и таблиц в справочной литературе по машиностроению. Пример показан на рис.3 [2].
Рис. 3. Зависимость теоретического коэффициента концентрации от соотношения геометрических
размеров для полосы с отверстием
и для вала с выточкой
В связи с тем, что влияние концентрации напряжений на прочность деталей зависит от свойств материала и от характера нагружения, вводится понятие эффективного коэффициента концентрации , причем учитывается различие между постоянными и циклическими напряжениями.
При постоянных напряжениях (r = 1) под эффективным коэффициентом концентрации понимается отношение
где - предел прочности для образца, не имеющего концентрации, а - условный предел прочности для образца, имеющего концентрацию напряжений.
Для пластичных материалов местные напряжения в условиях постоянной нагрузки не оказывают на прочность детали существенного влияния. В зоне повышенных напряжений образуются местные пластические деформации без образования трещины. Весь остальной объем тела находится в упругом состоянии и несущая способность сохраняется практически для тех же значений сил, что и при отсутствии концентрации. При статическом нагружении для пластических материалов не учитываются местные напряжения:
Для хрупких материалов значение приближается к значению теоретического коэффициента концентрации Для чугуна (имеющего в своей массе включение графита, являющимися большими концентраторами, чем конструктивные факторы), как исключение, коэффициент
При испытаниях призматического стержня с отверстием (рис.4 а) коэффициент концентрации напряжений вблизи отверстия определяется отношением разрушающей нагрузки . То же самое имеет место для образца с выточкой (рис.4 б).
Рис. 4. Испытания призматического образца:
а) с отверстием,
б) с выточкой
При циклически изменяющихся напряжениях (r = -1) эффективный коэффициент концентрации определяется соотношением
где - предел усталости гладкого образца, а - предел усталости, подсчитанный по номинальным напряжениям для образца, имеющего концентрацию напряжений. Величина зависит от геометрической формы детали и от механических свойств материала. Коэффициент определяется экспериментально.
Между теоретическими и эффективными коэффициентами концентрации установлена связь:
где q – коэффициент чувствительности материала к местным напряжениям.
Величина q зависит от свойств материала. Для высоколегированных сталей , для конструкционных сталей для чугуна величина q близка к 0.
Наблюдается снижение q в случае больших коэффициентов и некоторый рост при увеличении абсолютных размеров детали.
Более подробные сведения по эффективным коэффициентам приводятся в справочной литературе.
Наличие коэффициентов концентрации снижает усталостную прочность деталей при проектировании машин необходимо сводить влияние концентраторов напряжений к минимуму. Достигается это конструктивными мерами. Для деталей работающих в условиях циклических нагрузок, внешние обводы деталей стремятся делать возможно более плавными, радиусы закруглений во внутренних углах увеличивают, необходимые отверстия располагают в зонах пониженных напряжений [3]. Примеры представлены на рис.5, 6, 7.
Рис. 5. Конструкция галтели с глубоким
поднутрением (а), увеличение радиуса галтели
за счет применения приставочного кольца (б)
Рис. 6. Конструкции, применяемые для снижения местных напряжений:
а) введение разгрузочных канавок,
б) введение разгрузочных канавок в местах посадок
Рис. 7. Элемент коленчатого вала рациональной конструкции: плавные очертания вала и удаление
материала из внутренних полостей шеек