Допускаемые расчетные напряжения

Прочность — способность детали сопротивляться разрушению — оценивается несколькими способами:

а) с помощью допускаемых напряжений; б) запасами прочности; в) статистическими запасами прочности.

а) Наибольшее распространение получил метод расчета по допускаемым напряжениям, согласно которому наибольшее напряжение σ_max в некоторой точке нагруженной детали не должно превышать определенной величины, свойственной данному материалу и типу детали.

Условие прочности детали по допускаемому напряжению имеет вид

σ_max ≤ [σ], где [σ] - допускаемое напряжение.

Такая оценка удобна, и поэтому 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.

Однако такой оценке прочности присущи и недостатки:

1. Величина допускаемого напряжения носит условный характер, так как не отражает характера предполагаемого разрушения, режима нагружения и других факторов, влияющих на надежность;

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

3. Величина [σ] не дает представления о надежности детали в явном виде, так как в неравенстве не показано соотношение действующих и предельных напряжений для материала детали (предела текучести σ_т, предела прочности σ_в, предела выносливости σ_-1 и др.).

В инженерных расчетах допускаемые напряжения используют в основном для предварительных расчетов, связанных с приближенным определением основных размеров деталей.

б) Широкое распространение получил также расчет по запасам прочности. Условие прочности в этом случае n = σ_пред / σ_max, где n - запас прочности; σ_пред - предельное напряжение (предел прочности при постоянных нагрузках, предел выносливости при переменных нагрузках), полученное экспериментально или взятое из справочника; σ_max - максимальное напряжение в опасной точке детали, вычисленное при наибольшей (ожидаемой или установленной тензометрированием) рабочей нагрузке.

Величина σ_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

[σ] = σ_пред / n

При действии статических нагрузок иногда используют запас прочности по несущей способности

n = F_разр / F, показывающий отношение нагрузок в момент разрушения и в рабочих условиях.

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

в) Статистические запасы прочности являются более обоснованными характеристиками прочностной надежности, в особенности для отказов конструкций с тяжелыми последствиями.

Предел выносливости детали определяют экспериментально на некоторой базе испытаний (обычно 10⁷ циклов). Разброс характеристик сопротивления усталости деталей обусловлен нестабильностью механических свойств металла даже в пределах одной плавки, отклонениями в режиме термообработки, отклонениями размеров деталей в пределах допусков, микроскопическими источниками рассеяния, связанными с неоднородной структурой материала и др.

Статистические запасы прочности, как и обычные запасы прочности, имеют условное значение. Их используют как критерии сравнения надежности вновь создаваемых изделий с изделиями, удовлетворительно эксплуатируемыми.