УДК 539.3

DOI 10.24411/1683-805X-2019-11009

 

 

При эксплуатации механизмов возникают условия для зарождения и распространения усталостных трещин в местах концентрации напряжений, обусловленных геометрическими особенностями деталей, такими как надрезы, углы, отверстия, кромки сварного шва и т.д. Классический анализ усталости образцов с надрезом проводят на основе эмпирической формулы и подобранного коэффициента уменьшения усталостной прочности. При этом такой анализ требует больших затрат и не в полной мере обоснован физически. В работе представлена простая и эффективная методика оценки усталости деталей с надрезом при многоосном нагружении. В рамках метода на основе точного определения объема материала конечного размера вокруг очага усталостной трещины (вершины надреза) и усреднения энергии деформации по данному объему исследовано влияние на морфологию зоны предразрушения различных режимов деформации (I, II, III) и коэффициента нагрузки. Для деталей с острым или тупым надрезом достаточно провести анализ линейно упругой конечно-элементной модели и иметь данные о свойствах материалов, полученные в ходе простых одноосных испытаний. Получены новые соотношения для определения действующего напряжения (растяжения) и коэффициента снижения усталостной прочности для образцов с надрезом. Точность предложенной модели подтверждена на основе имеющихся экспериментальных данных для цилиндрических образцов с острыми и тупыми надрезами при изгибном кручении. Такие условия часто встречаются в механизмах, применяемых в прокладке трубопроводов, в автомобилестроении, энергопроизводящих установках, при бурении и др.

Ключевые слова: надрез, коэффициент уменьшения усталостной прочности, плотность энергии деформации, многоосный, конечно-элементный анализ

 

Fatigue strength reduction factors based on strain energy density applied to sharp and blunt notches under multiaxial loading

Real mechanical assemblies favor the initiation and propagation of fatigue cracks due to stress concentration phenomena arising from the geometrical features such as notches, corners, holes, welding toes, etc. Classical fatigue analysis of notched specimens is done using an empirical formula and a fitted fatigue strength reduction factor, which is experimentally expensive and lacks physical scene. In the present paper, a simple and meaningful methodology is proposed to assess notched components against multiaxial fatigue. In this method, by precisely defining a finite-size volume surrounding the fatigue crack initiation site (notch tip), over which the strain energy is averaged, the morphological effect on the process zone is fully addressed. Such a method takes into account the effect of combination of different modes (I, II, III) and the load ratio. In order to implement it for components with a sharp or blunt notch, it is enough to analyze a linear elastic finite element model and to know only the properties of materials obtained from simple uniaxial tests. New relationships for determining an effective (tensile-type) stress and fatigue strength reduction factors are derived for notched specimens. The accuracy of the proposed model is validated by experimental data available in the literature, related to tubular specimens weakened with sharp/blunt notches under combined bending-torsion loading. Such a situation widely appears in equipment used for various branches of industry such as piping, automotive, power plant, drilling, etc.

Keywords: notch, fatigue strength reduction factor, strain energy density, multiaxial, finite element analysis

 

 

M. Abolghasemzadeh, Y. Alizadeh, H. Mohammadi  Коэффициенты уменьшения усталостной прочности на основе плотности энергии деформации для острых и тупых надрезов при многоосном нагружении // Физ. мезомех. - 2019. - Т. 22. - № 1. - С. 92-104