Конструкционная прочность
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Технология машиностроения
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Порошин Вадим Борисович
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 440
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0840-0
Артикул: 791535.01.99
Рассматриваются деформационные и прочностные свойства металлических конструкционных материалов и изготовленных из них деталей машин и инженерных сооружений при однократном статическом, повторно-переменном и длительном нагружении с учетом конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, в том числе концентрации напряжений. Затрагивается оценка прочности конструкций с трещинами.
Для студентов, обучающихся по направлению «Прикладная механика». Может быть полезно специалистам в области обеспечения прочности машин, аппаратов и сооружений, а также начинающим инженерам-прочнистам.
Конструкционная прочность: ключевые аспекты и методы анализа
Книга В. Б. Порошина "Конструкционная прочность" представляет собой учебник, предназначенный для студентов, обучающихся по направлению "Прикладная механика", и специалистов в области обеспечения прочности машин, аппаратов и сооружений. В издании рассматриваются деформационные и прочностные свойства металлических конструкционных материалов при различных видах нагружения, включая однократное статическое, повторно-переменное и длительное, с учетом конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.
Основные понятия и подходы
Введение в книгу начинается с определения ключевых понятий, таких как "опасные состояния" и "коэффициент запаса". Под опасными состояниями подразумеваются различные изменения механического состояния, приводящие к потере работоспособности конструкции, включая образование трещин, достижение критической длины трещины, возникновение неупругих деформаций, чрезмерные упругие деформации, потеря устойчивости и поверхностные разрушения. Коэффициент запаса, в свою очередь, представляет собой отношение параметров нагружения, характеризующих рабочее и опасное состояния детали, и служит для учета неопределенностей, связанных с расчетными моделями и варьированием параметров внешних воздействий и свойств материала.
Деформационные и прочностные свойства при статическом нагружении
Первая глава посвящена деформационным и прочностным свойствам сталей и сплавов при однократном статическом нагружении. Рассматриваются основные механические характеристики конструкционных материалов, такие как предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести и временное сопротивление. Особое внимание уделяется построению и аппроксимации диаграммы деформирования, а также критериям разрушения материалов при сложном напряженном состоянии, включая гипотезу наибольших нормальных напряжений, гипотезу наибольших линейных деформаций, условия Треска-Сен-Венана и Губера-Мизеса, теорию предельных напряженных состояний О. Мора, критерии Баландина, Боткина-Миролюбова, Ягна и Писаренко-Лебедева. Влияние различных факторов, таких как температура, скорость деформирования, радиационное облучение и механическая обработка, на конструкционную прочность материалов также анализируется.
Местные напряжения и оценка прочности
Вторая глава рассматривает местные напряжения, возникающие в конструкциях, и их влияние на прочность. Анализируется распределение напряжений в растянутой пластине вблизи отверстия, концентрация напряжений в выточках, контактные напряжения и их влияние на прочность при статическом нагружении.
Усталостная прочность при переменном нагружении
Третья глава посвящена деформационным и прочностным свойствам сталей и сплавов при переменном нагружении. Рассматриваются основные понятия и определения, закономерности упругопластического деформирования, критерии малоцикловой усталости, влияние конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на сопротивление усталостному разрушению.
Основы механики разрушения
Четвертая глава знакомит с основами механики разрушения. Рассматриваются механизмы хрупкого разрушения, понятие коэффициента интенсивности напряжений, влияние вида напряженного состояния на несущую способность конструкций, экспериментальное определение вязкости разрушения, применение силового и энергетического подходов к оценке трещиностойкости, а также особенности роста трещин при циклическом нагружении.
Прочность при длительном нагружении
Пятая глава посвящена прочности при длительном нагружении. Рассматриваются механизмы ползучести, деформационные характеристики ползучести, математические модели длительной прочности, кинетическое уравнение повреждаемости, влияние конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на длительную прочность элементов конструкций.
Заключение
Книга завершается обзором конструктивных и технологических мероприятий, направленных на повышение длительной прочности, а также контрольными вопросами и задачами по каждой теме. Издание представляет собой ценный ресурс для студентов и специалистов, стремящихся углубить свои знания в области конструкционной прочности и механики разрушения.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.03: Прикладная механика
- ВО - Магистратура
- 15.04.03: Прикладная механика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Оглавление В. Б. Порошин КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ Учебник Москва Вологда Инфра-Инженерия 2022 3
Одобрено учебно-методической комиссией аэрокосмического факультета УДК 539.3/.6 ББК 22.251 П59 Рецензенты: гл. науч. сотр. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ» д. т. н. А. П. Журавлев; зав. кафедрой эксп. механики и констр. материаловедения, директор Центра эксп. механики ФГБОУВШ ПНИПУ д. т. н., проф. В. Э. Вильдеман Порошин, В. Б. П59 Конструкционная прочность : учебник / В. Б. Порошин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 440 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0840-0 Рассматриваются деформационные и прочностные свойства металлических конструкционных материалов и изготовленных из них деталей машин и инженерных сооружений при однократном статическом, повторнопеременном и длительном нагружении с учетом конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, в том числе концентрации напряжений. Затрагивается оценка прочности конструкций с трещинами. Для студентов, обучающихся по направлению «Прикладная механика». Может быть полезно специалистам в области обеспечения прочности машин, аппаратов и сооружений, а также начинающим инженерам-прочнистам. УДК 539.3/.6 ББК 22.251 ISBN 978-5-9729-0840-0 Порошин В. Б., 2022 Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 4
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................. 11 ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................... 15 Опасные состояния ......................................................................................... 15 Коэффициент запаса ....................................................................................... 17 Нормативные коэффициенты запаса и оценка прочности .......................... 19 Консервативные предельные состояния ....................................................... 21 Внешние воздействия ..................................................................................... 23 Особенности воздействия температурных и других самоуравновешенных напряжений ................................................................ 27 Температурные условия и характер разрушения ......................................... 28 Условия работы машин различного назначения и вероятные опасные состояния ......................................................................................... 29 1. ДЕФОРМАЦИОНЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ПРИ ОДНОКРАТНОМ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ ............................................................. 33 1.1. Основные механические характеристики конструкционных материалов ......................................................................................................... 33 Об особенностях логарифмической деформации в области больших значений ........................................................................................... 37 1.2. Построение и аппроксимация диаграммы деформирования ................ 40 Аппроксимация кривой деформирования при линейном напряженном состоянии ................................................................................. 43 Аппроксимация кривой деформирования при сложном напряженном состоянии ................................................................................. 45 1.3. Разрушение конструкционных материалов при произвольном напряженном состоянии ................................................................................... 48 Особенности разрушения металлических материалов ................................ 48 Влияние вида напряженного состояния ........................................................ 50 1.4. Критерии разрушения материалов при сложном напряженном состоянии ........................................................................................................... 52 3
В. Б. Порошин. Конструкционная прочность Гипотеза наибольших нормальных напряжений (I теория прочности) ....................................................................................... 54 Гипотеза наибольших линейных деформаций (II теория прочности) ...................................................................................... 54 Условия Треска - Сен-Венана и Губера - Мизеса как критерии разрушения ....................................................................................................... 55 Теория предельных напряженных состояний О. Мора ............................... 56 Критерии Баландина, Боткина - Миролюбова, Ягна .................................. 61 Критерий Писаренко - Лебедева ................................................................... 62 Диаграмма механического состояния материала ........................................ 64 Деформационный критерий разрушения ..................................................... 67 Пример определения предельного напряжения при сложном напряженном состоянии с помощью критериев Мора, Писаренко - Лебедева и деформационного критерия Колмогорова ......... 72 1.5. Влияние различных факторов на конструкционную прочность материалов ................................................ 76 Влияние температуры ..................................................................................... 76 Влияние скорости деформирования .............................................................. 80 Оценка способности материала к рассеиванию (диссипации) энергии ..................................................................................... 81 Влияние радиационного облучения и контакта с жидкометаллической средой ....................................................................... 82 Влияние термической и механической обработки ...................................... 85 1.6. Расчеты на прочность при однократном статическом нагружении и основные пути повышения прочности конструкций ............ 88 1.7. Контрольные вопросы и упражнения по теме «Деформационные и прочностные свойства сталей и сплавов при однократном статическом нагружении» ................................................................................ 90 2. МЕСТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ. ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ПРИ ОДНОКРАТНОМ НАГРУЖЕНИИ ................................................... 95 2.1. Распределение напряжений в растянутой пластине вблизи малого отверстия. Коэффициент концентрации напряжений ......... 96 2.2. Концентрация напряжений в выточках. Теория Нейбера 4
Оглавление о концентрации напряжений .......................................................................... 103 Глубокий надрез ............................................................................................ 104 Мелкий надрез ............................................................................................... 109 Глубокий кольцевой надрез цилиндрического стержня ........................... 111 2.3. О предельных значениях теоретического коэффициента концентрации напряжений ............................................................................. 114 2.4. Концентрация напряжений и деформаций за пределами упругости .................................................................................. 116 2.5. Пример. Определение деформации H max в опасной точке ступенчатого стержня с галтельным переходом между участками .......... 123 2.6. Влияния концентрации напряжений на прочность при статическом нагружении ......................................................................... 126 2.7. Контактные напряжения .......................................................................... 130 Заключение раздела ...................................................................................... 138 2.8. Контрольные вопросы и упражнения по теме «Местные напряжения» .................................................................................. 138 3. ДЕФОРМАЦИОНЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАГРУЖЕНИИ .......................... 142 3.1. Основные понятия и определения .......................................................... 142 3.2. Закономерности упругопластического деформирования при «жестком» нагружении ............................................................................ 145 Кривая циклического деформирования ...................................................... 147 Циклическая кривая деформирования ........................................................ 150 Эффект «памяти» материала. Правила запоминания и забывания предыстории ............................................................................ 154 Связь диаграммы циклического деформирования с циклической кривой ................................................................................... 158 3.3. Закономерности упругопластического деформирования при «мягком» нагружении .............................................................................. 159 3.4. Оценка долговечности конструкционных сталей и сплавов при циклическом упругопластическом деформировании .......................... 164 Критерии малоцикловой усталости ............................................................. 167 Пример 3.1 ...................................................................................................... 171 5
В. Б. Порошин. Конструкционная прочность Связь кривых малоцикловой усталости с циклической кривой ............... 173 Приближенное определение предела выносливости ................................. 175 3.5. Влияние конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на сопротивление усталостному разрушению ............................................................................ 178 Влияние концентрации напряжений ........................................................... 178 Влияние асимметрии нагружения .............................................................. 182 Пример 3.2 ...................................................................................................... 189 Кривые усталости при несимметричном нагружении .............................. 190 Пример 3.3 ...................................................................................................... 191 Влияние масштабного фактора (абсолютных размеров изделия) ............ 193 Влияние состояния поверхности ................................................................ 195 Влияние поверхностного упрочнения ......................................................... 197 Влияние коррозионного воздействия среды ............................................. 198 Влияние температуры ................................................................................... 200 Влияние вида напряженного состояния ...................................................... 201 Коэффициент запаса усталостной прочности с учетом влияния различных факторов ....................................................................... 206 Пример 3.4 ...................................................................................................... 208 Замечание к определению коэффициента запаса прочности nV с учетом асимметрии цикла ......................................................................... 210 Особенности блочного нагружения ............................................................ 212 Пример 3.5 ...................................................................................................... 214 Пример 3.6. Данный пример заимствован из учебного пособия [1] ........ 216 3.6. Оценка прочности при малоцикловом нагружении ............................. 219 Виды коэффициента запаса ............................................................................ 219 Рекомендуемые величины коэффициента запаса усталостной прочности [nV] .................................................................................................. 223 3.7. Особенности малоцикловой усталости и ее математическое описание в условиях развитой ползучести ................................................... 224 Особенности образования дефектов и характера разрушения при быстром и медленном неупругом деформировании усталостной прочности ................................................................................... 225 6
Оглавление Эффекты малоцикловой усталости, наблюдаемые при циклическом неупругом деформировании в условиях развитой ползучести ............... 227 Подходы к описанию малоциклового разрушения при неупругом циклическом деформировании в условиях развитой ползучести .................................................................. 232 Кинетическая модель накопления повреждения ....................................... 239 3.8. Контрольные вопросы и задачи по теме «Деформационные и прочностные свойства сталей и сплавов при переменном нагружении» ....................................................................... 249 4. ОСНОВЫ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ ............................................ 254 4.1. Область применения и задачи, решаемые механикой разрушения .... 254 4.2. Механизмы хрупкого разрушения.......................................................... 257 Разрушение сколом ....................................................................................... 258 Вязкое разрушение ........................................................................................ 258 4.3. Напряженно-деформированное состояние в вершине трещины нормального отрыва ........................................................................................ 259 4.4. Понятие коэффициента интенсивности напряжений ........................... 262 4.5. Размер и форма зоны пластической деформации. Поправка Ирвина на пластичность ............................................................................................... 264 4.6. Влияние вида напряженного состояния на несущую способность конструкций ............................................................................... 269 4.7. Экспериментальное определение вязкости разрушения. Силовой подход к оценке трещиностойкости элементов конструкций .... 271 Оборудование и образцы для определения вязкости разрушения ........... 271 Влияние размеров образца и начальной длины трещины ........................ 274 Эффект туннелирования трещины .............................................................. 279 Ограничения на нелинейность диаграммы «нагрузка a раскрытие трещины» ............................................................... 280 Пример 4.1 ...................................................................................................... 284 4.8. Применение силового подхода к оценке критического размера трещиноподобного дефекта в элементе трубопровода ................. 286 4.9. Элементы нелинейной механики разрушения в силовом подходе. Двухпараметрический критерий Е. М. Морозова ........................................ 288 7
В. Б. Порошин. Конструкционная прочность 4.10. Энергетический подход к оценке трещиностойкости элементов конструкций ..................................................................................................... 292 Интенсивность выделения упругой энергии и сопротивление росту трещины. Критерий Гриффитса .......................... 292 R-кривая и критерий роста трещины .......................................................... 294 Эффект хлопка ............................................................................................... 295 Диаграмма докритического разрушения .................................................... 296 Влияние конечных размеров пластины ...................................................... 297 Элементы нелинейной механики разрушения в энергетическом подходе. Понятие J-интеграла ..................................................................................... 298 4.11. Критерий критического раскрытия в вершине трещины. Деформационный подход к оценке трещиностойкости ............................ 300 4.12. Особенности роста трещины при циклическом нагружении ........... 302 Схема роста усталостной трещины ............................................................. 302 Рост усталостной трещины .......................................................................... 303 4.13. Рост трещин в условиях коррозии ....................................................... 309 4.14. Расчетная оценка трещиностойкости элементов конструкций ........ 310 Критические температуры хрупкости образца и конструкции ................ 310 Расчет критического напряжения ................................................................ 313 Запасы прочности при хрупком и квазихрупком разрушении ................. 315 4.15. Обеспечение надежности конструкций с трещинами при проектировании, изготовлении и эксплуатации .................................. 316 Признаки надежной конструкции ............................................................... 316 Способы обеспечения надежности .............................................................. 317 Мероприятия, повышающие трещиностойкость конструкций ................ 321 4.16. Контрольные вопросы по теме «Механика разрушения» .................. 324 5. ПРОЧНОСТЬ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ НАГРУЖЕНИИ .................... 335 5.1. Механизмы ползучести ........................................................................... 335 Область обратимой ползучести ................................................................... 336 Область низкотемпературной (логарифмической) ползучести ................ 337 Область высокотемпературной ползучести (ползучесть Андраде) ......... 338 Область высокотемпературной диффузионной ползучести ..................... 339 8
Оглавление 5.2. Деформационные характеристики ползучести ..................................... 339 Определяющие функции и константы материала: реологическая функция, предел ползучести и изохронная кривая .......... 340 5.3. Математические модели длительной прочности .................................. 344 Модель идеального вязкого разрушения Хоффа ....................................... 345 Модель идеального хрупкого разрушения Л. М. Качанова ...................... 347 5.4. Кинетическое уравнение повреждаемости. Линейное суммирование повреждений при блочном нагружении ............ 350 Пример 5.1 ...................................................................................................... 352 5.5. Определение предельной вязкой деформации ...................................... 354 Пример 5.2 ...................................................................................................... 356 5.6. Температурно-временные (параметрические) зависимости длительной прочности .................................................................................... 357 5.7. Оценка длительной прочности при сложном напряженном состоянии ................................................................................. 362 Критерии В. П. Сдобырева и И. И. Трунина .............................................. 363 Критерий А. А. Лебедева .............................................................................. 364 Деформационный критерий В. Л. Колмогорова ........................................ 365 5.8. Влияние конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на длительную прочность элементов конструкций .................... 366 Влияние концентрации напряжений ........................................................... 367 Влияние пластического деформирования .................................................. 372 Воздействие внешней среды ........................................................................ 373 Длительность эксплуатации ......................................................................... 374 5.9. Оценка прочности элементов конструкций при длительном действии статической нагрузки ..................................................................... 375 Коэффициент запаса по перемещениям ...................................................... 375 Коэффициент запаса по напряжениям ........................................................ 376 Коэффициент запаса по долговечности ...................................................... 376 Запас по температуре .................................................................................... 377 Пример выбора допускаемого напряжения по Boiler Code¶у ................... 379 Порядок расчетов на жесткость и прочность ............................................. 380 9
В. Б. Порошин. Конструкционная прочность 5.10. Конструктивные и технологические мероприятия, направленные на повышение длительной прочности ................................. 382 5.11. Контрольные вопросы по теме «Длительная прочность» ................. 389 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ...................................................... 392 ПРИЛОЖЕНИЕ. ЗАДАНИЯ, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ «КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ» .......... 396 10