Особенности работы металлических конструкций при переменных напряжениях

Особенностью работы металлических конструкций ТТ являются испытываемые ими переменные напряжения, которые для многих типов машин приводят к необ­ходимости учитывать явления усталости при их расчете и констру­ировании.

При разрушении металлических конструкций для решения вопроса о том, является ли данное разрушение усталостным, лучше всего исходить из характера излома элементов конструкций, являющегося надежным средством установления причин раз­рушения. Можно различать три вида излома: вязкий, хрупкий и усталостный. Установление вида излома важно, так как разные изломы вызываются разными причинами.

Вязкий излом характерен остаточными деформациями, по­скольку напряжения при разрушении значительно превышают предел текучести по всему сечению. По отношению к поверхности элемента излом часто бывает косым. Поверхность излома – во­локнистая. При наложении разрушенных частей плоскости из­лома не складываются без зазора. Зона начала излома неизвестна. Происходит такой излом при недопустимых перегрузках в раз­личных аварийных случаях.

Хрупкий излом характерен гладкой поверхностью с равно­мерным крупно- или мелкозернистым строением. В области раз­рушения пластические деформации отсутствуют. Излом перпен­дикулярен к поверхности элемента. При наложении разрушенных частей плоскости излома плотно складываются. Хрупкий излом происходит при склонности данного элемента к хрупкому раз­рушению в результате низкой температуры, концентрации напря­жений, многоосного напряженного состояния и т. п. Одна и та же сталь может разрушаться и вязко, и хрупко. Хрупкое разрушение всегда внезапно и может происходить при напряжениях ниже расчетных.

Усталостный излом отличается от хрупкого развитием уста­лостных зон от местных концентраторов. На поверхности излома имеется резкая граница между усталостным и вязким (статиче­ским) изломами. Поверхность излома часто бывает поражена коррозией в результате длительного развития усталостной тре­щины. Характерным для усталостных разрушений является также то, что все они происходят в сечениях с большими местными напряжениями и при этом часто не в сечениях с максимальными общими напряжениями, т. е. усталостные трещины возникают в зонах конструктивной и технологической (сварные швы) кон­центраций напряжений. Усталостные разрушения чаще всего имеют место в решетчатых конструкциях и реже – в листовых.

Следует отметить, что преждевременные усталостные разрушения, получаются главным образом из-за наличия в конструкции боль­ших концентраторов напряжений в результате дефектов изгото­вления или из-за перегрузки конструкции повышенными динами­ческими воздействиями внешних сил, a в некоторых случаях из-за неправильной эксплуатации и от систематического пре­вышения грузоподъемности кранов. Статистика эксплуатационных разрушений сварных конструкций, работающих в условиях пере­менных напряжений, показывает, что до 90 % разрушений проис­ходит от усталости.

Характер цикла переменных напряжений определяется коэффициентом асимметрии цикла R = σ_min / σ_max, (150)

средним напряжением σ_m = 0,5 (σ_max + σ_min) и амплитудой напряжений цикла σ_a=0,5(σ_max – σ_min), где σ_min и σ_max ­наименьшее и наибольшее алгебраические значения переменных напряжений, .непрерывно изменяющихся в пределах каждого цикла.

Рисунок 57 – Виды циклов переменных напряжений

Циклы с одинаковыми коэффициентами асимметрии на­зываются подобными. Переменные напряжения, при которых имеют место постоянные значения σ_mи σ_a. называются установившимся стационарными, а если значения σ_mи σ_a меняются ­нестационарными.

На рис. 57 изображены различные виды циклов переменных напряжений:

знакопостоянный цикл с напряжениями растяжения, 0 < R < 1, σ_min > 0; характерен для растянутых поясов вер­тикальных балок и ферм и для растянутых раскосов этих ферм (рис. 57, а);

то же, но σ_min = 0, т. е. R = 0, так называемый отнулевой цикл σ₀ ; характерен для тех растянутых элементов, у которых напряжения от постоянной нагрузки пренебрежимо малы по сравнению с напряжениями от временной нагрузки (рис. 57, б);

знакопеременный цикл со средним напряжением растяжения, 0 > R >-1, σ_m> 0; характерен для раскосов вертикальных ферм, испытывающих циклическое растяжение-сжатие {рис. 57, в);

то же, но |σ_min| = σ_max, R = -1, σ_m= 0, так называемый симметричный цикл σ_-1; характерен для элементов ферм и балок, испытывающих нагрузку как в одном, так и в другом направле­нии, а также для тех раскосов вертикальных ферм, напряжения в которых от постоянной нагрузки пренебрежимо малы по сравне­нию со знакопеременными напряжениями от временной нагрузки (рис. 57, г);

знакопеременный цикл со средними напряжениями сжатия, R < -1, σ_m < 0; характерен для раскосов вертикальных ферм, испытывающих циклическое растяжение - сжатие (рис. 57, д);

то же, но σ_max = 0, R = – ∞, σ_m < 0, так называемый отнулевой цикл сжатия; характерен для тех сжатых элементов, у которых напряжения от постоянной нагрузки пренебрежимо, малы по сравнению с напряжениями от временной нагрузки (рис. 57, е);

знакопостоянный цикл со средним напряжением сжатия, R > 1, σ_max < 0; характерен для сжатых поясов вертикальных балок и ферм и для сжатых раскосов этих ферм (рис. 57, ж).