Образец для усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии и способ усталостных испытаний образца при сложном напряженном состоянии

 

Сущность изобретения: используют образец, состоящий из двух элементов: наружного трубчатого 1 и внутреннего 2, при этом первый имитирует изделие, а второй служит фиксатором нагруженного состояния первого. Наружный трубчатый элемент 1 имеет возможность осевого перемещения относительно внутреннего 2 благодаря зубчатым или шпоночным соединениям 6 и 7 с опорными элементами 14 и 15 их зажимов 4 и 5. Нагруженный статическим крутящим моментом образец при испытаниях на усталость при непрерывном вращении подвергают одновременно циклическому изгибу и нагрузкам на растяжение или сжатие. Усталостные характеристики определяют с учетом влияния усталостных характеристик внутреннего элемента 2, выполненного из материала с известной более высокой крутильной жесткостью по сравнению с материалом, из которого выполняют наружный трубчатый элемент 1. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретения относятся к испытательной технике, а именно к образцам и способам их испытаний на усталость при сложном напряженном состоянии.

Известен образец, выбранный в качестве прототипа, предназначенный для усталостных испытаний на изгиб с кручением [1] Образец содержит установленные коаксиально с возможностью закручивания друг относительно друга наружный трубчатый и внутренний элементы и соединенные с их концами зажимы.

Известен способ усталостных испытаний образцов при сложном напряженном состоянии, выбранный в качестве прототипа [1] Известный способ заключается в выполнении образца из коаксиально установленных наружного трубчатого и внутреннего элементов, концы которых соединены посредством зажимов, воздействии на него одновременно статическим крутящим моментом и циклическим изгибным усилием и определении его усталостных характеристик.

Напряженное состояние натурных изделий типа валопроводов определяется совокупностью следующих силовых факторов: изгибающего момента, крутящего момента, перерезывающей силы, усилия растяжения или сжатия.

Известные образец и способ, выбранные в качестве прототипов, позволяют получать усталостные характеристики материала конструкции лишь для совокупности первых трех силовых факторов.

Задачей, на решение которой направлены изобретения, является разработка образца и способа проведения усталостного испытания при комбинированном нагружении на циклический изгиб, кручение и растяжение или сжатие, с возможностью имитации сложного напряженного состояния натурного изделия.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретений, является моделирование всех факторов напряженного состояния натурного изделия, повышение достоверности получаемых усталостных характеристик образца.

Поставленная задача достигается тем, что известный образец для усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии, содержащий установленные коаксиально с возможностью закручивания друг относительно друга наружный трубчатый и внутренний элементы и соединенные с их концами зажимы, снабжен нагрузочным кольцом, установленным через слой антифрикционного материала с возможностью поворота на наружном трубчатом элементе, наружный трубчатый и внутренний элементы установлены с возможностью осевого перемещения друг относительно друга, соединение между последними и зажимами выполнено зубчатым или шпоночным, один из зажимов выполнен разъемным со средствами фиксации относительного положения его частей, разъем которых расположен в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии образца, при этом крутильная жесткость наружного трубчатого элемента меньше крутильной жесткости внутреннего элемента.

В способе усталостных испытаний образца при сложном напряженном состоянии, заключающемся в выполнении образца из коаксиально установленных наружного трубчатого и внутреннего элементов, концы которых соединены посредством зажимов, воздействии на него одновременно статическим крутящим моментом, циклическим изгибным усилием и определении его усталостных характеристик, образец выполняют с кольцом на наружном трубчатом элементе, статическим крутящим моментом нагружают посредством закручивания внутреннего элемента и фиксации его в этом положении относительно наружного трубчатого элемента, циклическим изгибным усилием воздействуют посредством кольца, и дополнительно, одновременно со всеми операциями на образец через зажимы воздействуют осевым усилием и вращением.

Новыми и отличительными признаками образца для усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии являются следующие: снабжение его нагрузочным кольцом, установленным через слой антифрикционного материала с возможностью поворота на наружном трубчатом элементе, установка наружного трубчатого и внутреннего элементов с возможностью осевого перемещения друг относительно друга, выполнение соединения между зажимами и наружным трубчатым и внутренним элементами зубчатым или шпоночным, выполнение одного из зажимов разъемным со средствами фиксации относительного положения его частей, расположение разъема частей разъемного зажима в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии образца, выполнение наружного трубчатого элемента с крутильной жесткостью, меньшей крутильной жесткости внутреннего элемента.

Новыми и отличительными признаками способа усталостных испытаний образца при сложном напряженном состоянии являются следующие: выполнение образца с кольцом на наружном трубчатом элементе, нагружение образца статическим крутящим моментом посредством закручивания внутреннего элемента и фиксации его в этом положении относительно наружного трубчатого элемента, воздействие циклическим изгибным усилием на образец посредством кольца,
дополнительное, одновременное со всеми операциями воздействие на образец через зажимы осевым усилием и вращением.

На фиг.1 представлен общий вид образца в продольном разрезе, на фиг.2-4
его поперечное сечение по А-А, Б-Б и В-В.

Образец для усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии состоит из наружного трубчатого элемента 1, внутреннего элемента 2, нагрузочного кольца 3 и соединенных с концами наружного трубчатого и внутреннего элементов 1 и 2 зажимов 4 и 5.

Наружный трубчатый элемент 1 и внутренний элемент 2 установлены коаксиально с возможностью закручивания друг относительно друга. Зажимы 4 и 5 связаны зубчатыми или шпоночными соединениями 6 и 7, обеспечивающими осевое перемещение наружного трубчатого 1 и внутреннего 2 элементов друг относительно друга.

Один из зажимов, например зажим 5, выполнен с разъемом 8, расположенным в плоскости, перпендикулярной оси симметрии образца, обеспечивающим возможность разворота зажима 5 относительно зажима 4 и фиксацию частей зажима 5 в заданном положении с помощью фиксаторов 9.

Нагрузочное кольцо 3 устанавливают на наружном трубчатом элементе 1 через слой 10 антифрикционного материала, например через фторопластовую пленку или слой антиадгезионной смазки типа фторопластовой эмульсии, с возможностью поворота на наружном трубчатом элементе.

Внутренний элемент 2 выполняют из материала с известной (калиброванной) крутильной жесткостью, например из высокопрочной стали. Наружный трубчатый элемент 1 выполняют из материала с меньшей крутильной жесткостью, например из композиционного материала на основе волокнистого армирующего материала и полимерного связующего.

Способ усталостных испытаний образца при сложном напряженном состоянии заключается в следующем.

На наружный трубчатый элемент 1 устанавливают нагрузочное кольцо 3 через слой 10 фторопластовой пленки для обеспечения возможности вращения в нем образца. Затем наружный трубчатый элемент 1 устанавливают в зажимах 4 и 5, закрепляют сегментными вкладышами 11 и резьбовыми элементами 12 при неустановленных фиксаторах 9 и через центральный канал 13, выполненный в опорном элементе 14 зажима 5, устанавливают коаксиально наружному трубчатому элементу 1 внутренний элемент 2, закрепляя его зубчатыми соединениями 6 и 7 с опорным элементом 14 зажима 5 и опорным элементом 15 зажима 4.

Для обеспечения сборки зажим 4 с опорным элементом 15 имеет возможность возвратно-поступательного осевого перемещения, а при испытаниях наружный трубчатый элемент 1 с зажимами 4 и 5 имеет возможность осевого перемещения относительно внутреннего элемента 2 благодаря зубчатым соединениям 6 и 7 с опорными элементами 14 и 15, при этом опорный элемент 14 с зажимом 5 и опорный элемент 15 с зажимом 4 размещаются соответственно в неподвижных обоймах 16 и 17 испытательного устройства.

Для восприятия осевых нагрузок опорный элемент 14 зажима 5 имеет кольцевые буртики 18, обеспечивающие упор опорного элемента 14 зажима 5 в неподвижную обойму 17. Опорные элементы 14 и 15 зажимов 5 и 4 выполнены с возможностью вращения в неподвижных обоймах 16 и 17.

Фиксируют опорный элемент 14 относительно обоймы 17 в неподвижном положении, исключающем его кольцевой поворот (условно не показано). Затем поворотом зажима 5 при его отсоединенном опорном элементе 14 нагружают наружный трубчатый элемент 1 фиксированным статическим крутящим моментом на заданный угол упругой закрутки, который благодаря зубчатому соединению 6 опорного элемента 15 его зажима 4 упруго закручивает внутренний элемент 2. Фиксируют положение закрутки посредством соединения фиксаторами 9 зажима 5 с его опорным элементом 14. Снимают внешнюю фиксацию опорного элемента 14 от проворота.

Наружный трубчатый элемент 1 вследствие более высокой крутильной жесткости внутреннего элемента 2 после снятия фиксации опорного элемента 14 от проворота находится под постоянной нагрузкой реактивного статического крутящего момента.

Нагруженный статическим крутящим моментом образец испытывают на усталость комбинированным нагружением на циклический изгиб и сжатие (или растяжение) при непрерывном его вращении, при этом сложное напряженное состояние задают только наружному трубчатому элементу 1 приложением поперечной нагрузки к его рабочей части через размещенное на нем кольцо 3 и нагрузки на сжатие (растяжение), приложенной к зажимам 4 и 5. Таким образом проводят испытания образцов на усталость.

Усталостные характеристики наружного трубчатого элемента 1 определяют с учетом влияния известной калиброванной зависимости усталостных характеристик материала внутреннего элемента 2.

Таким образом, предложенные образец и способ обеспечивают возможность проведения испытаний с широким спектром нагрузок, с моделированием всех силовых факторов напряженного состояния натурного изделия, позволяют уменьшить затраты на проведение испытаний и отработку натурных изделий.

Формула изобретения

1. Образец для усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии, содержащий установленные коаксиально с возможностью закручивания друг относительно друга наружный трубчатый и внутренний элементы и соединенные с их концами зажимы, отличающийся тем, что он снабжен нагрузочным кольцом, установленным через слой антифрикционного материала с возможностью поворота на наружном трубчатом элементе, наружный трубчатый и внутренний элементы установлены также с возможностью осевого перемещения друг относительно друга, соединение между последними и зажимами выполнено зубчатым или шпоночным, один из зажимов выполнен разъемным со средствами фиксации относительного положения его частей, разъем которых расположен в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии образца, при этом крутильная жесткость наружного трубчатого элемента меньше крутильной жесткости внутреннего элемента.

2. Способ усталостных испытаний образца при сложном напряженном состоянии, заключающийся в выполнении образца из коаксиально установленных наружного трубчатого и внутреннего элементов, концы которых соединены посредством зажимов, воздействии на него одновременно статическим крутящим моментом, циклическим изгибным усилием и определении его усталостных характеристик, отличающийся тем, что образец выполняют с кольцом на наружном трубчатом элементе, статическим крутящим моментом нагружают посредством закручивания внутреннего элемента и фиксации его в этом положении относительно наружного трубчатого элемента, циклическим изгибным усилием воздействуют посредством кольца и дополнительно одновременно со всеми операциями на образец через зажимы воздействуют осевым усилием и вращением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4