Переход к содержанию страницы

Эксплуатационная прочность

Эксплуатационная прочность - это понятие из области материаловедения, она обозначает расчетный срок службы изделия. Эксплуатационная прочность описывает способность материалов и готовых изделий без ущерба выдерживать статические, квазистатические и динамические (циклические или ударные) нагружения в рамках рассчитанного срока службы и с учетом существенных окружающих условий.

Методы определения эксплуатационной прочности могут быть как расчетными, так и опытными (результаты испытаний). Поэтому эксплуатационная прочность - это профильная наука из области взаимодействия нагружения (механического и окружающей среды), материала, способов изготовления и конструкции.

Практически всегда причиной разрушения изделия становятся динамические нагружения. Часто разрушение происходит при нагрузках, значения которых значительно ниже нагрузки разрушения в статическом испытании на растяжение. Вибропрочность как часть эксплуатационной прочности обозначает свойства деформации и разрушения материалов при циклическом нагружении.

Количество циклов нагружения, которые изделие может выдержать под эксплуатационной нагрузкой вплоть до отказа, можно предсказать в рамках статистической точности с помощью кривой Вёлера.

Эксплуатационная прочность изделия

Зачастую во время разработки изделия упор делается не на длительную, а на эксплуатационную прочность.

Для определения эксплуатационной прочности изделия необходимо учитывать все виды нагружения: от статического нагружения на ползучесть и ударного нагружения до циклического нагружения с постоянной или переменной амплитудой. Также в анализ входят условия окружающей среды (температура, осадки, давление, а также изменение материала вследствие коррозии или старения). Задача состоит в том, чтобы посредством по возможности простых испытаний определять характеристики, на основе которых конструктор может разрабатывать надежное в эксплуатации изделие.

Проблема в том, что процесс повреждения является очень комплексным, и его, собственно, нельзя описать посредством одного-единственного параметра. Вначале всегда появляются микротрещины, исходя из внутренних дефектов или зазубрин, обусловленных конструкцией или процессом изготовления, вслед за которыми возникают циклические пластичные деформации. Этот процесс пытаются описать с помощью испытания LCF. Затем начинается рост трещин вплоть до разрушения, для чего используют методы механики разрушения.

Испытание на длительную прочность (его также называют испытанием Вёлера), напротив, не делает различий между возникновением и ростом трещины. С помощью линии Вёлера можно относительно легко предсказать срок службы при переменных амплитудах нагружения посредством методов накопления повреждений (например, Палмгрена/Майнера).

Однако в конце всё равно проводится испытание изделия для верификации, но со значительно меньшими затратами, благодаря современным методам определения характеристик материалов.

Эксплуатационная прочность в настоящий момент испытывается практических во всех областях техники. Особенно в области легких конструкций применение эксплуатационной прочности предлагает явные преимущества. На изготовление изделия уходит меньше материала, вследствие чего они становятся легче, если при их разработке упор делается не на длительную, а на эксплуатационную прочность. Например, в автомобильной промышленности более легкий автомобиль экономит топливо, также облегченная структура позволяет получать повышенную полезную нагрузку. Разработка с упором на эксплуатационную прочность также частично способствует функционированию изделия: разработанные для длительной прочности самолеты не смогли бы летать, т.к. просто были бы слишком тяжелыми.

Разработка изделия

Практически любая деталь какой-либо машины, установки или автомобиля в процессе эксплуатации подвергается воздействию меняющихся со временем механических нагружений. Задачей разработчика является создание продукта, который будет выполнять свою функцию в течение всего срока службы. С другой стороны, часто устанавливаются короткие сроки для разработок, предъявляются требования к облегчению конструкции и экономичному изготовлению. Применение расчетной оценки срока службы в процессе усталостного испытания помогает надежно и экономично разрабатывать изделия. Механика усталостного разрушения дополнительно позволяет выполнять описание роста трещины. Характеристики неразрушающего испытания можно также включить в процесс разработки продукта.

Целью эксплуатационно-прочного изделия является

  • достижение требуемого срока службы
  • надежность компонентов конструкции или системы в целом
  • защита от отказа до достижения расчетного срока службы (вероятность отказа)

Экспериментальное определение эксплуатационной прочности

Срок службы изделия зависит не только от высоты нагрузки, но также и от последовательности нагрузок. При разработке детали с упором на эксплуатационную прочность приближенные к реальности прохождения кривых нагружения/времени (последовательности нагрузок с переменными амплитудами) выдают более достоверную информацию о сроке службы изделия, чем испытания с однообразным нагружением.

Отслеживающие испытания

В области эксплуатационной прочности проводятся так называемые отслеживающие испытания, при которых зарегистрированный сигнал нагрузки-времени должен быть максимально точно воспроизведен на испытательном стенде. Поведение испытательного стенда и изделия приводит к тому, что истинный сигнал, несмотря на оптимально настроенные регуляторы, не совпадает с желаемым заданным сигналом. Для улучшения отслеживаемого поведения (соответствия между заданным и истинным сигналом) в течение итерационного процесса заданный сигнал изменяется до тех пор, пока истинный сигнал не совпадет с исходным заданным сигналом.

Испытания со стандартизированными последовательностями нагрузок

Стандартизированные последовательности нагрузок были выведены для типичных случаев применения конструкции из большего количества репрезентативных измерений рабочих нагружений, они служат основой измерений динамически нагруженных изделий на международном уровне.

Подходящее оборудование для определения эксплуатационной прочности

Top