5. Задание № 4 «Оптимизация геометрических параметров детали по затратам на ее изготовление»

5.1. Основные теоретические сведения

Основными характеристиками конструкции являются: геометрические и прочностные характеристики материала, из которого будет изготовлено изделие.

Основной целью создания любой конструкции является безусловное выполнение ею функционального назначения. Конструкции, создаваемые разными конструкторами (коллективами), для выполнения одной функции будут отличаться по своим основным характеристикам. Такими характеристиками являются: объем, габаритные размеры, масса и материалоемкость, прочность материала. Эти характеристики взаимосвязаны: чем меньшие размеры деталей и конструкции в целом нужны, чем меньшая масса и меньший расход материала требуются – тем более прочный материал необходимо использовать.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению. Она оценивается:

• по допускаемым напряжениям;

• по запасу прочности;

• по статистическому запасу прочности.

Условие прочности детали по допускаемому напряжению _max  [],

где _max – максимальное действующее напряжение;

[] – допускаемое напряжение.

На практике для однотипных конструктивных элементов (деталей), устоявшейся технологии их изготовления, стабильных условий нагружения разработана система допускаемых напряжений, обобщающая предшествующий опыт эксплуатации машин, приборов и аппаратов различного назначения. Недостатки метода:

• величина допускаемого напряжения не отражает характера предполагаемого разрушения, режима нагружения и других факторов, влияющих на надежность;

• допускаемое напряжение, особенно при переменной нагрузке, зависит от геометрии детали, материала, технологии изготовления, что затрудняет его использование в качестве нормативной характеристики;

• величина [] не дает представления о надежности детали в явном виде, так как в формуле не показано соотношение действующих и предельных напряжений для материала детали (предела текучести _т, предала прочности _в, предела выносливости _-1 и др.).

В инженерных расчетах допускаемые напряжения используют в основном для предварительных расчетов, связанных с приближенным определением основных размеров деталей (расчеты на растяжение–сжатие; изгиб; кручение; сдвиг /срез/).

Широкое распространение получил также расчет по запасам прочности. Условие прочности в этом случае n = _пред / _max,

где _пред – предельное напряжение (предел прочности при постоянных нагрузках; предел выносливости при переменных нагрузках), полученное экспериментально или взятое из справочника;

_max – максимальное напряжение в опасной точке детали, вычисленное при наибольшей рабочей нагрузке,

n. – коэффициент запаса прочности.

Величина _пред отражает геометрию детали, технологию ее изготовления и условия нагружения, поэтому величина необходимого запаса прочности имеет стабильное значение.

Условия прочности по допускаемым напряжениям и запасам прочности связаны соотношением [] = _пред / n.

В описанных методах оценки прочности носят детерминировванный характер и не учитывают должным образом неизбежное рассеяние разрушающих и максимальных напряжений.

Статистические запасы прочности являются более обоснованными характеристиками прочностной надежности, в особенности при возможности отказов конструкций с тяжелыми последствиями. Основаны на использовании кривых плотности распределения переменных напряжений в наиболее нагруженной точке детали или пределов выносливости, например, кривой Гаусса. Их используют как критерии сравнения надежности вновь создаваемых изделий с изделиями, удовлетворительно эксплуатируемыми.

Понятия масса и материалоемкость не равнозначны. Если изготовить две одинаковых детали – первую из стали, а вторую из легкого сплава, то масса у них будет разная, а материалоемкость одинаковая. Добиться оптимального соотношения этих характеристик можно выбором рациональных сечений, обеспечением равнопрочности, улучшением конструктивной схемы.