Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Остаточные напряжения

..pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
9.8 Mб
Скачать

С помощью интегрирования по частям находим

 

 

 

а

 

 

o0 = - 2 E e ( a ) + 3 E ( h - a ) J - 0 ^ d t

 

Остаточное напряжение в слое

о

 

 

а

 

 

 

 

а (а) = а* (а) ао (а).

 

 

Учитывая равенства (44) и (42), получим следующую расчетную

формулу:

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

а (а) = - ± E ( h -

a)

(а) + 2Е г (a) - 3 E ( h -

а) [

dI . (45)

Эта формула была

указана (без

 

о

 

вывода) в работе Д. Розенталя

[106], однако с ошибочным знаком.

представляет

собой деформацию

В равенстве (45)

величина е(а)

на нижней поверхности стержня после снятия слоя глубиной а. Как обычно, деформация растяжения считается положительной. Если при расчете по формуле (45) величина а (а) оказывается поло­ жительной, то остаточные напряжения — растягивающие.

Б. Другой вывод формулы для остаточных напряжений основан на рассмотрении стержня после удалепия слоя глубиной а (фиг. 79).

Фиг. 79. Определение остаточных напряжений при измерении деформаций.

Прикладывая обратные остаточные напряжения а (£), получим сле­ дующую формулу для деформации в месте наклейки тензометра:

8 (°) =

E(h — a)* Jа °

(£) [“1“ + а)

d l +

 

о

 

 

 

Е (h— а Jа 0(£) d £.

(46)

 

 

0

 

Если продифференцировать обе части этого уравнения по а, то

после преобразований найдем

 

 

=

о

 

(47)

где

 

 

т {a) =

{h — а)2

(а) — 2(h а) г (а).

(48)

6 Заказ 288.

81

Уравнение (47) представляет собой нормальное интегральное уравнение. Оно имеет замкнутое решение, которое можно получить, переходя к дифференциальному уравнению первого порядка. В ре­ зультате получается решение, которое после некоторых преобра­ зований совпадает с равенством (45).

В. Остаточное напряжение в поверхностном слое (а == 0) опре­

деляется

из формулы (45)

 

 

o(0) = ^ ± E h ^ ( Q ) .

(49)

Если требуется найти остаточные напряжения в неглубоком

слое, то в формуле (45) достаточно сохранить лишь

первые два

члена, и

тогда

 

 

a { a ) ^ ^ - ^ - E Q i - a ) - ^ ( a ) + 2Ez(a).

(50)

Для вычисления производных можно использовать методы ап­ проксимации, указанные в связи с расчетом остаточных напряжений по измерению прогибов.

Если 8i и 62 — деформации после снятия слоя глубиной ai и ач

соответственно, то

82^1

 

81^2

 

4 г(°) = ах (а2 — ai)

а2(а2— al) ’

 

и формула для остаточных напряжений в поверхпостном слое

 

8^02

e2gi

(51)

а 1 ( а 2 a l)

а 2 ( а 2 — a l )

 

Г. Для оценки возможных погрешностей приведем вычисление приращения деформации при снятии поверхностного слоя толщи­

ной Да.

 

 

Из

равенства (49)

 

Д а

 

Де = — 2

a (0 )

 

1 Г" •

 

 

Et

При остаточном напряжении

а (0) = 10 кГ1мм2, модуле упру-

гости

Е = 2 104 кПмм2

1

А а

 

Де = —

 

103

1 Г

Если Да = 0,1 мм и h = 5 мм, то изменение деформации

Ае = — 2 *10“ 5.

Точность измерения при использовании проволочных датчиков

составляет (1 -f- 3) 10““ 6. В рассматриваемом примере точность из­ мерения остаточных напряжений составляет 0,5—2 кГ/мм2. Инте­ ресно отметить, что точность метода не зависит от длины образца и повышается (при одинаковой величине Да) с уменьшением тол­ щины образца.

Таблица 2

Определение остаточных напряжений в стержне прямоугольного сечения методом замера деформаций

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

03

 

 

{

 

 

со

я (1 )

К<2)

к<3>

о

 

 

 

 

 

п

 

 

 

 

о

 

 

 

ч*

а

 

1

 

чн

 

 

 

•»*

 

П

ч*

 

 

 

 

О*

 

п

 

 

 

 

1

 

1*

5*

з

 

 

 

•oltj

1

 

<1

со

 

 

 

£

£

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

0

0

0

0

+ 114,0

-1 2 ,0 3

-0 ,4 4 3 5

2,5

6,25

1

0,013

0,013

-0 ,0 0 5

- 5 1 ,9

+ 39,85

+12,03

-0 ,3 2 5 8

2,487

6,185

2

0,027

0,040

-0 ,0 1 0 5

-2 2 ,5 5

+ 13 ,2 2

+ 9 ,3 1

-0 ,3 0 5 4

2,46

6,052

3

0,042

0,082

-0 ,0 3 0

-1 7 ,4 3

+ 15,12

+ 2,328

-0 ,4 2 3 8

2,418

5,847

4

0,115

0,197

-0 ,0 6 6

- 4 ,8 8

+ 1,89

+ 2,985

-0 ,3 2 7 9

2,303

5,304

5

0,147

0,344

-0 ,1 1 7

- 4 ,3 6

+ 2,98 5

+ 1,371

-0 ,3 0 1 5

2,156

4,648

6

0,262

0,606

- 0 ,1 7 5

- 1 ,6 7

-1 ,0 8 5

+ 2,756

-0 ,1 9 3 9

1,894

3,587

7

0,204

0,810

-0 ,2 1 0

- 2 ,1 5

-1 ,3 4 8

+ 3,501

-0 ,1 4 7 0

1,69

2,856

8

0,160

0,970

- 0 ,2 3 0

- 3 .5 6

+ 1,533

+ 2 ,0 3 0

— 0,1045

1,53

2,341

9

0,212

1,182

-0 ,2 4 6

- 2 ,7 8

+ 1,416

+ 1,358

— 0,0598

1,318

1,737

10

0,303

1,485

-0 ,2 5 8

— 1,25

-2 ,1 0 5

+ 3,357

— 0,0190

1,015

1,030

И

0,185

1,670

-0 ,2 5 9

+ 1,25

- 8 , 7

+ 7 ,4 5

+ 0 ;0155

0,83

0,689

 

 

 

 

со

 

 

X

 

 

 

 

 

 

о

 

X

 

 

 

 

 

 

чН1

*-*ч

 

 

 

 

 

 

<3

 

со

ао

 

 

г

со

 

+

43

 

 

са

 

 

о

о

“в

о»со

 

•т»

* 3

 

 

<3*

т

 

СО

п |^

 

<3*

оо

1

Г 1

1 "

 

 

1

 

 

Ь} о

ы

 

 

СО

 

 

3 * ^

 

со

 

C<J

 

 

 

 

 

1 X

1 " ;

4-

•ь

 

 

 

 

 

 

11

12

13

14

15

16

17

0

 

0

0

0

0

11,087

0

11,1

1 -0,00 08 1

-0,0000052

-0,0000052

0,00077

8,103

- 0 , 2

7,90

2

— 0,001735

— 0,0000344

-0,00000396

0,005845

7,513

- 0 ,4 2

7,10

3 -0 ,0 0 5 1 3

-0,000141

-0,0001806

0,02620

10,247

-1 ,2

9.07

4 -0 ,0 1 2 4 6

-0,00 10 1

-0 ,00 11 9

0,1644

7,552

- 2 ,6 4

5.08

5

— 0,0252

-0,00 27 7

-0 ,00 39 6

0,5123

6,500

- 4 ,6 8

2,33

6 -0 ,0 4 8 8

-0,0 0 8 3 9

-0,01 23 5

1,403

3,672

- 7 ,0 0

- 1 ,9 2

7

-0 ,0 7 3 5

-0 ,0 1 2 1 3

-0 ,0 2 4 4 8

2,482

2,484

- 8 ,4 0

- 3 ,3 3

8;

— 0,0982

-0 ,0 1 3 7 4

-0 ,03 82 2

3,509

1,599

- 9 ,2 0

- 4 ,0 9

сI -0 ,1 4 1 7

-0 ,0 2 5 4 8

-0 ,06 37 0

5,037

0,788

- 9 ,8 4

- 4 ,0 1

1C) -0 ,2 5 0 5

-0 ,0 5 9 4 5

-0,12 31 5

7,500

0,1928

— 10,32

- 2 ,6 3

11L

— 0,376

-0 ,0 5 8

-0,18115

9,021

-0 ,1 2 8 7

-1 0 ,3 6

- 1 ,2 1

Д. Приведем пример расчета остаточных напряжений в стерж­ нях методом замера деформаций. Исследованию подвергался стер­ жень прямоугольного сечения высотой h = 2,5 мм, модуль упру­ гости материала Е = 2 • 104 кГ1ммг.

Расчет проведен в табл. 2 и основан на формуле 45. В столб­ цах 2, 3 и 4 занесены толщина снимаемого слоя Д*, общая толщина всех снятых слоев деформация, замеренная тензометром е (аг) —- е{.

ег(а)

к Г /м и 2 £(а)

12 МОг

6

4

О

jsfal

-4

д

-12 -12

чв -16

M V

-го -20

-гь 2k

-26 -26

Фиг. 80. Остаточные напряжения в образце.

Для вычисления производных принималась параболическая ап­ проксимация (см. стр. 78)

- £ ■ (0)=

е* ( 4

S r - ) +

”■ (

 

+

 

 

М

' ;

т

(».) =

( i r ^ T K —

) +

^

Д4 Д{+1

I +

 

 

 

 

Д1 (Д{ + Д{+1

J

1

 

 

+

U

„ < w + , > ) “

 

+ '*хШ +

 

 

d e / ч

 

 

А п

 

,

_

/ “ " ( А п _ 1 + А п

 

~da~IUn) =

е"-2

A^ ^ A^

+ A J

+

еП—1

 

An—i Ап

+

+ 8" ( l M V i + +4 * ) = e« - 2^n1) + еэт_ 1я',2) + гпК(п3)

Значения коэффициентов К^\ К(2) и А (3) указаны в столбцах 5, 6 и 7.

В столбце (И) приведено подынтегральное выражение, далее указываются полусуммы и значение интегралаг.

Величина остаточного напряжения а (ал) (сумма значений в по­ следних трех столбцах) приведена в столбце 17.

Из таблицы видно, что последний член в формуле (45) не играет роли при определении остаточных напряжений в поверхностных слоях. На фиг. 80 дано распределение остаточных напряжений по толщине образца.

12.СТЕРЖНИ ПРОИЗВОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

А.Рассмотрим определение остаточных напряжений в стержне произвольного сечения (фиг. 81). Такие задачи встречаются при исследовании остаточных напряжений в сварных стержнях и дру­ гих конструкциях. Для некоторого упрощения предположим, что

Фиг. 81. Остаточные напряжения в слое а в стержне произвольного сечения.

сечение стержня обладает плоскостью симметрии и снимаемые слои перпендикулярны к этой плоскости. Найдем сначала остаточное напряжение в слое а после среза предыдущих слоев. Снятие слоя da эквивалентно приложению усилий а* (а) Ъ(а)йа, вызывающих из­ гибающий момент

dM = a* (a) b(a)[h а е (а)],

где е (а) — расстояние центра тяжести сечения (после среза слоя а) до нижней поверхности.

Приращение прогиба для стержня постоянного сечения при дей­

ствии концевых моментов [равенство

(5)]

 

 

d /=

za

dM,

(52)

 

8EJ (а)

где

J (а) — момент инерции сечения

стержня после удаления слоя

глубиной а.

 

 

 

1

Для простоты, переменная, интегрирования обозначается не

как в Ф°Р~

муле (45), а той же буквой а, что

не должно вызвать недоразумения.

 

Из приведенных соотношений вытекает

а* (а)

8EJ (а)

1_______ _

df_

l2b(a)

* [h— a — e (а)] '

da

Перейдем к определению дополнительных напряжений в слое а после снятия предыдущих слоев (фиг. 82).

Если снимается слой d £, то приращение дополнительного на­ пряжения в слое а

rfffd=

оМ|Ж|и£ -fc -< | > l[fc_ e _

e(g)] +

(54)

 

 

 

где J (I)

и F (£) —- момент инерции

и площадь сечения стержня

после удаления слоя глубиной £.

 

 

Фиг. 82. Остаточные напряжения в слое £ в стержне произволь­ ного сечения.

Напряжение а* (£), существующее в слое £ после удаления пре­ дыдущих слоев, находится по равенству, вполне аналогичному ра­

венству (53). Так как снимаемый слой d £ находится на расстоянии £, то

 

 

/g\ __

(£)

_______ 1_______

df

(55)

 

 

1 *Ъ (£ )

’ [ Л - Б - е ( б ) ]

 

 

 

Теперь из

соотношения

(54)

вытекает

 

 

,

h

а

е (!)

-f-

 

 

d a o =

-р п

 

 

Дополнительное напряжение в слое а после снятия предыдущих слоев

Од <“>=

4 r f

h а — е (|)

•''(б)

df

 

12JL

*■(6) (h-t~e(Z))

(56)

 

О

 

 

 

Остаточное

напряжение в слое

а определяется

из равенства

о (а) = а* (а) аэ (а).

С помощью зависимостей (53) и (56) находим

 

»<“ > - - £ ■

U

-

? . » к. )

•ж <») - 1 [ » • " « - « <а +

 

- 1

-

_

_ 1 JLdi\-_

_

эта зависимость

представляет

собой основную расчетную фор-

мулу для стержня произвольного сечения.

сечения

В частном случае

для стержня прямоугольного

 

 

 

е (а) =

О1 — «);

 

 

 

F (а) =

(h— а) Ь;

 

уравнение (57) приводит

к уже известному соотношению (12)

 

(Л —а)2

 

h - a —

 

 

 

 

 

 

= - g - [ ( A - « ) * ^ - ( a ) - 4 ( * - . ) / ( a ) + 2 f / ( | ) i | ] , b

При расчете по формуле (57) в процессе экспериментального ис­ следования определяется прогиб / (а) и вычисляется производная прогиба

Ф («) = ■£ (а)

при различных значениях а. При вычислении интеграла для каждого значения переменной интегрирования 0 «< £ <5 а находится

и вычисляется подынтегральное выражение. Само интегрирование может быть проведено приближенно по правилу трапеций.

Остаточное напряжение в поверхностном слое

0 (°) = - J T 9 (Л — е (0)) Ь (0) ’ da

где J (0) — момент инерции всего сечения стержня; е (0) — расстоя­ ние центра тяжести сечения от нижней точки сечения; Ъ(0) — ширина поверхностного слоя.

При определении остаточных напряжений на небольшом расстоя­ нии от поверхности в формуле (57) можно пренебречь вторым

членом подынтегрального выражения и использовать следующую приближенную формулу:

»<“ > - - £ • { ( « ) - ( * - «

— («))/ («)}; ]

(59)

для стержня прямоугольного сечения она

совпадает с

равен­

ством (32).

 

 

Б. Рассмотрим теперь расчетные зависимости при определении остаточных напряжений с помощью замера деформаций проволоч­ ными тензометрами (фиг. 83). Изменение деформации (в нижних волокнах стержня) при снятии слоя da находится из следующих соображений.

Фиг. 83. Определение остаточных напряжений с помощью {измерения деформаций.

Усилие а* (а) Ъ(a) da вызывает в нижнем волокне напряжения изгиба

d (Уи = — 0 * ( a ) b ( a ) d ( a ) ( h - a - e m ^

 

 

J (fl)

 

 

 

И

 

и напряжение растяжения

 

 

 

dop =

О* (а) Ъ(а) da

 

 

 

F(a)

 

Приращение деформации в крайнем нижнем волокне

d » - [ -

 

+ - ^ \ ^ - o 4 a ) i a

ИЛИ

 

 

 

а* (а) =

 

Е

«50)

(h-^-a е (а)) е (а)

 

Ъ(а)

 

ш

F(a)

]

Если в данный момент снимается слой

то в слое а возникают

напряжения изгиба и растяжения

 

doa = -----------------------

7(1)

+

-P(E)

e

Учитывая, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

de

 

 

 

 

= -

 

 

 

 

Е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[ (* - £ - « ( £ ) ) « ( £ ) ____1_1 ь т

dl

 

 

 

 

 

[

/(£)

 

 

F&) J ° w

 

 

 

получим из

равенства (61)

 

 

de

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

da0 = - % { \ ) E ^ d \

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

h—\ — e (|)

_

1Г^ ,

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Я, (|) =

J(g)

 

(fe

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л -6 -«(Е ) «(6)-

*(6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(l)

w

 

 

 

 

 

Дополнительное напряжение

в

слое

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

од(а) =

- Е

J V ( & ) ^ d 6 .

 

 

 

(62)

Остаточное

напряжение в

рассматриваемом

слое

rfe

 

 

а (а) =

Е

 

 

 

1

1

 

]

 

 

/ v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(h — a — e(a) ) e( a)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/( a )

 

 

F(a)

\

К }

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(63)

 

 

 

 

 

- / м й 4 т « !

 

 

 

 

 

 

Для

стержня прямоугольного

сечения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е(а) =

- у (h — а);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г/-Ч

 

b(h — а)з.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 (а) =

---- 12---- ’

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^(а) = b(h-a)\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, „

ч

1

4fc+ 2 £ -6 a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л (б) —

2

 

ft — |

 

 

 

 

 

 

 

и тогда

, ч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( fe— о

rfe < «

 

I f

4Л+2£— 6а

 

8

, е]

<т(а)

=

— ^

{ - 2 ------3 3 - ( " > —

J —

 

---------И

Т ' ' 1)

= -

i

£

(4 _

«) 4jL (о) +

2E в (о) -

3£ (ft -

a) J

 

d |,

что совпадает с

равенством

(45).

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При определении остаточных напряжений в поверхностных слоях в формуле (63) можно сохранить только первый член

 

1

 

d в t \

(64)

а (а) - Е - (hа е (а)) е (а)

F{a) ] Ь{а)

' АГ(а)-

-

Т(а)

 

 

Достаточная точность

(при малых а)

получается и в том случае,

=если геометрические характеристики относить ко всему сечению, тогда

 

1

 

 

d в

/ v

 

(65)

а (а) *=*Е ■(h— e) е -----------------1

~1а

 

 

 

 

Ь(0)

 

 

 

 

где е — расстояние центра тяжести

сечения

до

нижнего

волокна;

J и F — момент инерции и площадь сечения стержня; Ъ(0) — ширина

верхней части сечения (где сни­

мается слой).

 

 

 

 

Приведем пример расчета остаточ­

ных напряжений в стержне таврового

сечения (фиг. 84).

 

наклеен

На

нижнем основании

тензометр и

снимаются слои стенки

тавра.

Расчет

проводится

по

фор­

муле

(63).

сечения F (а) и расстоя­

Площадь

ние

центра тяжести сечения до ниж-

Фиг. 84. стержень тавровой, сеней

г? а™

е И

определяю тся

сл е -

чения. дую щ им и формулами:

 

 

 

F (а) =

bxh +

(Ь2 — Ьх) 6 — abx\

 

 

 

 

 

 

 

л / _ч

b, ( h - a ) * + (b2- b x)b*

 

 

 

 

 

 

 

е{-а>-

 

 

Wta)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3

 

Определение остаточных напряжений в стержне таврового сечения

 

 

 

 

 

 

(метод замера деформаций)

 

 

 

 

 

 

 

из

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

3

сл

i

§

о

о

 

* ( 1 )

 

К(2)

 

к(3)

t- 3

 

 

 

 

 

 

 

 

р

и

 

 

35

 

 

 

 

 

 

 

£•г*

 

ч

 

р

Р

еГ*

 

 

 

 

 

 

•г*

•г*

 

 

•г»

•г»

 

 

 

 

 

 

^

У

ь,

4)

*-а

О Р

 

<

е

СО

 

 

 

 

 

 

"со

Р

1

2

3

4

 

5

 

6

 

7

8

 

9

10

11

12

1

0

0

0

 

 

 

29,78

-

12,44

87,8

4

0,750

1,084

2854

2

0,095

0,095

6,3

-

3,72

-

8,71

-

12,44

44,8

3,905

0,720

0,942

1707

3

0,052

0,147

8,0

-

12,14

 

8,01

 

4,14

45,6

3,853

0,704

0,872

1804

4

0,089

0,236

14,0

-

7,47

 

5,55

 

1,91

58,6

3,764

0,678

0,761

2320

5

0,176

0,412

21,3

-

3,75

 

2,75

 

1,00

35,2

3,588

0,630

0,576

1851

6

0,341

0,753

29,1

 

3,75

-

8,62

 

4,87

10,7

3,247

0,547

0,340

1188