358

Введите количество циклов, которое вы желаете сохранить в Stop-файле.

При приостановке или завершении испытания программа сохранит данные слежения по этим циклам, а также по текущему циклу. Вы можете просмотреть Stop-файл в любом csv-редакторе, например Excel.

12. Выберите опцию меню Layout и определите число и содержимое окон (например, графиков, индикаторов выполнения), которое вы желаете отобразить в рабочем пространстве испытания:

• перейдитев менюBasic и выберитеодин изосновных шаблонов. Экраны эскизов позволяют определить содержимое и внешний вид рабочего пространства испытания, например, количество выводи-

мых графиков, необходимостьотображения индикаторавыполнения. Экран Basic содержит несколько эскизов, которые вы можете

выбрать простым щелчком (выбранный эскиз обводится красным прямоугольником). Для настройки выбранного эскиза воспользуйтесь опциями на экране Customized.

Замечания:

•доступ к опциям эскизов можно получить также из Test Workspace вкладки Test (щелкните правой кнопкой мыши и выберите Layout). Данная опция полезна, если вы желаете изменить эскиз при проведении испытания;

•для настройки графиков текущего эскиза выберите опции ме-

ню Graph;

•перейдите в меню Customized и настройте выбранные шаблоны так, как требуется.

Экран эскизов позволяет определить содержимое и внешний вид рабочего пространства испытания, например, количество выводимых графиков, необходимостьотображенияиндикаторавыполнения.

Экран Customized позволяет настроить текущий вид добавлением или удалением панелей, или изменением типов компонентов на каждой из них.

•Для настройки графиков текущего эскиза выберите опции ме-

ню Graph.

21

Данная область представляет собой текущий вид рабочего пространства испытания, показывая количество окон и тип компонентов (например, графиков и индикаторов выполнения), выводимых в каждом окне.

Пользуйтесь кнопками для добавления и удаления окон (можно отобразить до семи окон).

13. Если в рабочее пространство испытания включаются графики, определите их свойства следующим образом:

– выберите опцию меню Graph # > General и установите тип графика, который вы желаете отобразить, его источник данных

иэлементы, которые вы желаете показать на графике (например, заголовок, легенду);

–выберите соответствующую опцию меню Graph # > X Axis

инастройте ось и масштабирование по оси X графика;

–выберите соответствующую опцию меню Graph # > Y Axis

инастройте ось и масштабирование по оси Y графика.

Экраны Graph позволяют настроить графики, отображаемые в рабочем пространстве испытания, например, типы графиков и данные, выводимые по каждой оси.

Экран General Setup дает возможность выбрать тип графика, который вы желаете вывести, определить источник данных и выбрать элементы, отображаемыена графике (например, заголовок, легенду).

•Доступ к опциям графиков можно получить также из Test Workspace вкладки Test (щелкните правой кнопкой мыши и выберите Graph Properties). Данная возможность полезна, если вы желаете изменить эскиз при проведении испытания.

Graph Type – из выпадающего списка Type выберите вид графика, который вы желаете вывести:

•X-Y – точкиданных двух каналов– соднойосьюX, однаось Y.

•Double Y – точки данных трех каналов – одна ось X две оси Y. Две оси Y имеют независимые масштабы, разметку и единицы измерения.

•Peaks & Trends – вывод данных до 25 каналов пиков и трендов

сосями Y (в зависимости от их выбранного числа) по полному числу

22

циклов вдоль оси X. Каналы по оси Y имеют общее масштабирование, и по ним не отображаются единицы измерений.

•Multi-Channel – построение данных до 25 каналов с осью Y axis (в зависимости от их выбранного числа), с 1 каналом по оси X. Каналы по оси Y имеют общее масштабирование, и по ним не отображаются единицы измерений.

•Chart Recorder – вывод последних замеров исходных данных (до 25 каналов) с осями Y (в зависимости от их выбранного числа) по 1 каналу данных вдоль оси X. На графике отображаются исходные данные кольцевого буфера, который содержит 20 000 точек данных (т.е. 20 с записи при скорости регистрации 1 кГц).

При необходимости введите заголовок графика в поле Title. Если в качестве заголовка вы введете пустую строку, программа изменит заголовок на имя графика. (Чтобы вывести заголовок на график, выберите метку Title под Show on Graph).

Замечание: для графиков Chart данная опция устанавливается

сцелью отображения данных по отдельным шагам и не может быть изменена.

Show on Graph – определяет, какие элементы будут показаны на графике. Вы можете отобразить или скрыть:

1) заголовок (вводится в поле Title под Graph Type);

2) легенду (соответственно, если оси Y выводятся более чем для одного канала данных);

3) символы (не относится к графикам Chart);

4) сетку.

14. Сохраните Методику.

Теперь Методика готова к проведению испытания.

5. Проведение испытаний

Экспериментальное исследование многоосной усталости порошкового железа проводится в условиях двуосного (растяжениесжатие и кручение) синхронного циклического нагружения. Целью испытаний является изучение усталостной прочности и долговечности образцов порошкового материала в условиях сложнонапряжен-

23

но-деформированного состояния при проведении испытаний на двуосное (растяжение-сжатие и кручение) синхронное циклическое нагружение.

Испытания на двуосное (растяжение-сжатие и кручение) синхронное циклическое нагружение проводятся на специализированной сервогидравлической двухосевой системе Instron 8850 (рис. 6), которая позволяет сочетать растяжение-сжатие и кручение образца в одном процессе нагружения.

Рис. 6. Сервогидравлическая двухосевая (растяжение-сжатие/ кручение) испытательная система Instron 8850

24

При этом амплитуда циклического нагружения, форма цикла и угол синхронизации движений (угол запаздывания) могут назначаться произвольно.

Результаты прямых усталостных испытаний представляют собой для каждого образца набор данных о геометрических параметрах и параметрах нагружения, а также соответствующее число циклов нагружения до разрушения. Определение значений амплитудных напряжений, приводящих к разрушению образцов, является самостоятельной расчетной задачей для каждого конкретного типа испытаний. Таким образом, в эксперименте реализуется многоосное нагружение осесимметричных образцов.

В ходе испытаний могут обнаружиться особенности поведения испытательного оборудования и, соответственно, поведения регистрируемых зависимостей:

– увеличение или падение нагрузки с увеличением количества циклов (рис. 7) – на графиках видно, что нагрузка в начале испытания начинает расти (падать) до некоторого числа циклов и далее стабилизируется относительно некоторого значения.

Рис. 7. График увеличения (а) и падения (б) нагрузки с увеличением числа циклов: 1 – максимальная нагрузка, 2 – минимальная нагрузка

Причиной такого поведения испытательной системы может послужить плохой прогрев машины. Чтобы избежать этой проблемы, необходимо прогреть испытательную систему Instron 8850 в течение не менее двух часов;

– несимметричность графиков относительно нуля (рис. 8) – на графике показано, что нагрузка не симметрична относительно 0, а крутящий момент стабилен и симметричен.

25

Причиной этого может послужить неточное выравнивание нагрузки относительно нуля. Если несколько раз через определенный промежуток времени выравнивать нагрузку относительно нуля, то данная проблема может быть решена.

Рис. 8. Несимметричный график осевой нагрузки (а): 1 – максимальная нагрузка; 2 – минимальная нагрузка; симметричный график крутящего момента (б): 1 – максимальный крутящий момент; 2 – минимальный крутящий момент

В результате испытаний образцов порошкового железа могут быть получены следующие характеристики для каждого разрушившегося образца: угол закручивания (φ,0), удлинение ( l, мм), нормальные напряжения (σ, МПа), касательные напряжения (τ, МПа), которые находятся из анализа напряженно-деформированного состояния в инженерном пакете ANSYS (см. раздел 2), а также число циклов нагружения до разрушения (находится непосредственно из эксперимента) образца порошкового материала (таблица).

Результаты расчета напряженно-деформированного состояния разрушенных образцов (пример)

26

6. Обработка полученных данных

По результатам годных испытаний строятся усталостные кривые. Так, например, для образцов порошкового железа ПЖР 3.200.28 кривая усталости изображена на рис. 9. Построение кривых усталости для компонентов растяжения и кручения проводится методом линейного регрессионного анализа [9] в полулогарифмических координатах: напряжение – логарифм числа циклов нагружения. Необходимо напомнить, что характеристики усталости порошкового железа ПЖР3.200.28 не являются самостоятельными, а их получают из одного многоосного эксперимента.

Рис. 9. Кривые усталости для составляющей растяжения (1) и составляющей кручения (2)

Рис. 10. Сравнение экспериментальных результатов с расчетными предельными поверхностями усталостной прочности для базового числа циклов 106

27

При сравнении экспериментальных результатов с модельными необходимо найти главные напряжения в образцах на одной из фиксированных баз нагружения 104 или 106 циклов. Для этого на кривых усталости определяются значения условных пределов усталости на выбранной базе, которые подставляются в систему уравнений (1–2) для определения σ1 и σ2 (главные напряжения).

Эти напряжения представляют собой координаты точки, нанесенной на изображения модельных предельных поверхностей усталостной прочности (рис. 10).

Заключение

Таким образом, в научно-исследовательской работе необходимо по разработанной методике экспериментальных исследований многоосной усталости образцов порошкового материала при использовании оборудования и программного обеспечения фирмы Instron провести испытания образцов порошкового структурно-неод- нородного материала в условиях двуосного (растяжение-сжатие и кручение) синхронного циклического нагружения. Провести анализ НДС образцов порошкового железа в зоне разрушения. По полученным экспериментальным результатам построить кривые усталости. Провести сравнительный анализ экспериментальных результатов с расчетными и сделать соответствующие выводы.

В научно-исследовательской работе должны быть изучены усталостные свойства (усталостная прочность и долговечность) образцов порошкового материала в условиях сложнонапряженнодеформированного состояния при проведении испытаний на двуосное (растяжение-сжатие и кручение) синхронное циклическое нагружение.

Для получения вариативности выполняемой работы могут быть предложены другие порошковые материалы, например, ПЖР 3.200.26, ПЖВ 2.160.26, ПЖРВ 2.200.28, другие марки порошкового железа, а также иных металлов и сплавов. Также могут быть индивидуализированы пористость образцов, частоты нагружения, коли-

28

чество образцов для испытаний в одинаковых условиях. Однако общий алгоритм проведения подобных испытаний на базе современного оборудования фирмы Instron должен соответствовать данным методическим указаниям.

Выполнение научных исследований в рамках индивидуальной исследовательской работы предусмотрено в базовом учебном плане бакалавров и магистров очной формы обучения по направлению подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов».

Список литературы

1.Численная модель циклической долговечности порошкового материала / В.Н. Анциферов, Ю.В. Соколкин, А.А. Чекалкин, А.В. Бабушкин // Порошковая металлургия. – 1994. – № 5–6. –

С. 112–118.

2.Герман Р. Порошковая металлургия от А до Я. – М.: Интел-

лект, 2009. – 336 с.

3.Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: практическое руководство. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 272 с.

4.Технология конструкционных материалов: учебник / О.С. Комаров, В.Н. Ковалевский, А.С. Чаус [и др.]; под общ. ред. О.С. Комарова. – Минск: Новое знание, 2005. – 560 с.

5.Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы порошковой металлургии. – М.: Изд-во МИСИС, 2001.

6.Сопротивление материалов: учебное пособие / П.А. Павлов, Л.К. Паршин, Б.Е. Мельников, В.А. Шерстнев; под ред. Б.Е. Мель-

никова. – СПб.: Лань, 2003. – 528 с.

7.Соколкин Ю.В., Чекалкин А.А., Бабушкин А.В. Исследование структуры, усталостные испытания и прогнозирование долговечности композитных сталей // Механика композитных материалов. – 1998. – Т. 34, № 3. – С. 371–382.

29

8.Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Нанотехнологии и специальные материалы: учебное пособие / под ред. Ю.П. Солнцева. – СПб.: Хим-

издат, 2007. – 173 с.

9.Степнов М.Н. Вероятностные методы оценки характеристик механических свойств материалов и несущей способности элементов конструкций. – Новосибирск: Наука, 2005. – 342 с.

10.Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. – М.: Интермет Инжиниринг, 2002. – 287 с.

11.Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. – М.:

Наука, 2003. – 254 с.

12.Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS в руках инженеров: справочное пособие. – М.: Машиностроение, 2004. – 512 с.

30