Törésmechanika

áttekintés

a Törésmechanika egy olyan módszertan, amelyet egy meglévő repedéssel vagy hibával rendelkező alkatrész meghibásodásának előrejelzésére és diagnosztizálására használnak. A repedés jelenléte egy részen felnagyítja a repedés közelében lévő feszültséget, és a hagyományos anyagerősségi módszerekkel előre jelzett meghibásodást eredményezheti.

az alkatrészek tervezésének és elemzésének hagyományos megközelítése az anyagok szilárdsági fogalmainak használata. Ebben az esetben kiszámítják az alkalmazott terhelés miatti feszültségeket. A meghibásodás akkor következik be, amikor az alkalmazott feszültség meghaladja az anyag szilárdságát (vagy folyásszilárdság vagy végső szilárdság, a meghibásodás kritériumaitól függően).

a törésmechanikában a feszültségintenzitási tényezőt az alkalmazott feszültség, a repedés mérete és az alkatrészgeometria függvényében számítják ki. A meghibásodás akkor következik be, amikor a stresszintenzitási tényező meghaladja az anyag törésállóságát. Ezen a ponton a repedés gyors és instabil módon növekszik a törésig.

 törés mechanika vs szilárdsága anyagok

törés mechanika fontos figyelembe venni több fontos okból:

  • a repedések és repedésszerű hibák sokkal gyakrabban fordulnak elő, mint amire számítani lehetett. A repedések vagy előzetesen létezhetnek egy részben, vagy nagy stressz vagy fáradtság miatt alakulhatnak ki.
  • az anyag szilárdságának növekedésével jellemzően csökken a törésállóság. Sok mérnök intuíciója a nagyobb szilárdságú anyagok előnyben részesítésére veszélyes úton vezetheti őket.
  • a Törésmechanika figyelmen kívül hagyása az alkatrészek meghibásodásához vezethet az anyagszilárdság-megközelítés alkalmazásával elvártnál alacsonyabb terhelésnél.
  • a törékeny törés miatti meghibásodás gyors és katasztrofális, és kevés figyelmeztetést ad.

az alábbi képen az SS Schenectady tartályhajó látható, amely a második világháború egyik Liberty hajója és az egyik legismertebb töréshiba. A Liberty hajók hajlamosak voltak megrepedni a hideg időjárás és a zord tengerek idején, és több hajó is Elveszett. Körülbelül a fele a repedések kezdeményezett sarkaiban a négyzet sraffozás kiterjed, amely járt el, mint a stressz kelők. Az SS Schenectady kettévált, miközben a dokkban ült. A Törésmechanika megértése megakadályozta volna ezeket a veszteségeket.

Schenectady tartályhajó
kép forrása: Wikimedia Commons

a repedések körüli Stresszkoncentrációk

a repedések stressz-emelkedőként hatnak, és a repedés csúcsa közelében a feszültség megugrik. Egyszerű példaként vegye figyelembe az elliptikus repedés esetét egy végtelen lemez közepén:

 stressz koncentráció a repedés körül

az ellipszis csúcsán lévő stressz elméleti értékét a:

ahol a névleges feszültség A Névleges feszültség, az ellipszis görbületi sugara pedig a végtelenségig terjed.

amint a repedéscsúcs sugara megközelíti a nullát, az elméleti feszültség megközelíti a végtelent. Ezt a végtelen stresszt stressz szingularitásnak nevezik, és fizikailag nem lehetséges. Ehelyett a feszültség eloszlik a környező anyag felett, ami képlékeny alakváltozást eredményez az anyagban a repedéscsúcstól bizonyos távolságra. A plasztikus deformáció ezen régióját műanyag zónának nevezzük, amelyet egy későbbi szakaszban tárgyalunk. A képlékeny alakváltozás a repedéscsúcs tompítását okozza, ami növeli a görbületi sugarat, és a feszültségeket véges szintre hozza.

a stressz-koncentrációs megközelítés alkalmazásakor felmerülő stressz-szingularitási problémák miatt, valamint a repedéscsúcs körül kialakuló műanyag zóna miatt, amely érvénytelenné teszi a stressz-koncentrációs megközelítést, más módszereket fejlesztettek ki a repedés csúcsa közelében lévő feszültségek jellemzésére. A ma legelterjedtebb módszer a stresszintenzitási tényező kiszámítása, amint azt egy későbbi szakasz tárgyalja.

Töréskalkulátorokat keres?

van néhány közül lehet választani:

  • törés mechanika számológép
  • fáradtság repedés növekedés kalkulátor
  • törés anyagok Adatbázis
törésmechanikai számológép

betöltési módok

három elsődleges mód van, amelyek meghatározzák a repedés tájolását a betöltéshez képest. A repedés kizárólag egy módban tölthető be, vagy az üzemmódok valamilyen kombinációjában is betölthető.

 Törési Módok
Kép Forrása: Wikimedia Commons

a fenti ábra a repedésterhelés három elsődleges módját mutatja. Az I. módot nyitási módnak hívják, és húzófeszültséggel jár, amely elválasztja a repedésfelületeket. Mód a csúszó mód, amely nyírófeszültséggel jár, amely a repedésfelületeket az elsődleges repedésmérettel párhuzamos irányba csúsztatja. A III mód a szakadási mód, amely nyírófeszültséget jelent, amely a repedésfelületeket az elsődleges repedésméretre merőleges irányba csúsztatja.

a mérnöki elemzés szinte kizárólag az I. módot veszi figyelembe, mivel ez a legrosszabb eset, és egyben a leggyakoribb is. A repedések általában az I. módban nőnek, de abban az esetben, ha a repedés nem indul el az I. módban, akkor az I. módba fordul, amint azt az alábbi ábra szemlélteti.

repedés az I módba fordul

Stresszintenzitási tényező

a stresszintenzitási tényező hasznos fogalom a repedéscsúcs közelében lévő stresszmező jellemzésére.

az I. módú terhelésnél a lineáris-rugalmas feszültségek az alkalmazott terhelés irányában egy ideálisan éles repedéscsúcs közelében kiszámíthatók a hely függvényében a repedéscsúcshoz viszonyítva, polárkoordinátákban kifejezve:

Stresszintenzitási tényező
kép forrása: USAF Sérüléstűrő tervezési kézikönyv

a stresszintenzitási tényezőnek nevezett k kifejezés a következő formában határozható meg:

ahol az egységek vagy ksi√in vagy MPa√m.

az I módú repedés stresszintenzitási tényezője k I. (ettől a ponttól kezdve feltételezzük, hogy az összes stresszintenzitási tényező az I. mód a korábban tárgyalt okok miatt, így a stresszintenzitást egyszerűen K. A stresszintenzitási tényező egyenletének felhasználásával az ideálisan éles repedéscsúcs közelében lévő stressz eredeti egyenlete újraírható, mivel a stresszintenzitási tényező:

mert 0 = 0, a fenti egyenlet leegyszerűsíti:

az ideálisan éles repedéscsúcs esetének kiterjesztése valódi repedésgeometriájú helyzetekre, a stresszintenzitási tényező általánosítható:

ahol a a repedés mérete és Y egy dimenzió nélküli geometriai tényező, amely függ a repedés geometriájától, az alkatrész geometriájától és a rakodási konfigurációtól.

fontos megjegyezni, hogy mivel a lineáris-elasztikus feszültségmezőt leíró egyenleteket használtuk a fenti stresszintenzitási tényező kapcsolat kialakítására, a stresszintenzitási tényező fogalma csak akkor érvényes, ha a repedéscsúcs közelében lévő képlékeny deformáció tartománya kicsi. Ezt egy későbbi szakaszban részletesebben tárgyaljuk.

Stresszintenzitási tényező megoldások

a stresszintenzitási tényező kiszámításának nehéz része egy adott helyzetre a dimenzió nélküli geometriai tényező megfelelő értékének megtalálása, Y. Ez a geometriai tényező függ a repedés geometriájától, az alkatrész geometriájától és a rakodási konfigurációtól. A klasszikus eset lemez egy repedés a központon keresztül, az alábbiak szerint:

központ a lemezen lévő repedésen keresztül

egy adott helyzet stresszintenzitási tényezője numerikus módszerekkel, például végeselem-elemzéssel (FEA) található. Sok esetben azonban megoldások találhatók az irodalomban. Megoldások néhány gyakori esetre, beleértve a fent bemutatott esetet is, megtalálható a Stresszintenzitási faktor megoldások oldalunkon.

szuperpozíció kombinált terheléshez

mivel a stresszintenzitási tényező fogalma lineáris rugalmas anyag viselkedést feltételez, a stresszintenzitási tényező megoldásai szuperpozícióval kombinálhatók, hogy megoldást találjanak a bonyolultabb problémákra. Például a feszültségintenzitás-tényező megoldás egy feszített élű repedt lemezhez kombinálható az egy élű repedt lemez oldatával hajlítás közben, amint az az alábbi ábrán látható.

 szuperpozíció kombinált terhelés esetén

a kombinált oldat feszültségintenzitási tényezőjét a következőképpen számítják ki:

ahol az alkalmazott húzófeszültség, az alkalmazott hajlítási feszültség, az alkalmazott hajlítási feszültség, Yt a feszültség alatt álló lemez geometriai tényezője, Yb a hajlítás alatt álló lemez geometriai tényezője, a pedig a repedés hossza.

Töréskalkulátorokat keres?

van néhány közül lehet választani:

  • törés mechanika számológép
  • fáradtság repedés növekedés kalkulátor
  • törés anyagok Adatbázis
törésmechanikai számológép

törésállóság

egy anyag képes ellenállni az alkalmazott feszültségintenzitásnak egy bizonyos kritikus értékig, amely felett a repedés instabil módon növekszik, és meghibásodás következik be. Ez a kritikus feszültségintenzitás az anyag törésállósága. Az anyag törésállósága számos tényezőtől függ, beleértve a környezeti hőmérsékletet, a környezeti összetételt (azaz levegőt, édesvizet, sós vizet stb.), rakodási sebesség, Anyagvastagság, anyagfeldolgozás és repedés orientáció a gabona irányába. Fontos, hogy ezeket a tényezőket szem előtt tartsuk, amikor kiválasztunk egy törésállósági értéket, amelyet a tervezés és az elemzés során feltételezünk.

számos általános mérnöki anyag Törésállósági értékei megtalálhatók az adatbázisunkban.

törésállóság vs. Vastagság

a törésállóság az anyagvastagság növekedésével csökken, amíg az alkatrész elég vastag ahhoz, hogy sík-törzs állapotban legyen. Ezen sík-törzsvastagság felett a törési szívósság állandó érték, amelyet sík-törzs törési szívósságnak nevezünk. A sík-törzs törésállósága az I. módú terhelésnél elsődleges fontosságú, ezt az értéket K IC jelöli.

egy adott vastagságú anyag törésállósága a következőképpen közelíthető meg:

ahol t az anyagvastagság, az AK és a Bk az anyagállandókés t0 a sík-törzs vastagsága kritikus terhelésnél, amelyet:

ahol Sty az anyag szakítószilárdsága.

az alábbi ábrát a fenti vastagság-specifikus törésállóság-egyenlet felhasználásával készítettük el egy példa anyaghoz, 15-5PH, H1025. Látható, hogy alacsonyabb vastagsági értékeknél ennek az anyagnak a törésállósága 90 ksi * in0.5, a szívósság pedig 60 ksi*in0 sík-törzs szívóssági értékre csökken.5 a vastagság növekedésével, amely után a törési szívósság állandó marad.

Törési szívósság vs.Vastagság

annak ellenére, hogy a törési szívósság az alkatrész vastagságának függvényében közelíthető meg, még mindig jó ötlet a sík-törzs Törési szívósság értékét használni a tervezés és az elemzés során.

Törési szívósság vs.szilárdság

általában egy adott anyagosztályon belül a törési szívósság csökken a szilárdság növekedésével. Ha egy anyagtömbbel kezdi, és hőkezeléssel kezeli, és a szilárdsági tulajdonságok növelése érdekében dolgozik, akkor általában csökkenti az anyag törési szívósságát is.

az alábbi ábra a törésállóságot mutatja a különböző anyagosztályok anyagszilárdságával szemben. Látható, hogy sok anyag esetében, különösen a mérnöki fémötvözeteknél és a mérnöki polimereknél, a törésállóság a szilárdság növekedésével csökken.

törésállóság vs. erő
kép forrása: Wikimedia Commons

törésállóság vs. Repedés orientáció

egy anyag törési szívóssága jellemzően a repedés orientációjának függvényében változik a szemcse irányához képest. Emiatt a törésállóság értékeit általában a repedés orientációjával együtt jelentik.

a repedésorientáció és a szemcseirány lehetséges kombinációit az alábbi ábra mutatja mind a téglalap alakú, mind a hengeres alak esetében. Kétjegyű kódokat használnak a repedés orientációjának jelölésére. Az első számjegy jelzi az irányt normális a repedés arcát. A második számjegy a repedésút irányát jelzi.

Crack orientáció téglalap alakú
forrás: Mil-HDBK-5J
repedés tájolása hengeres alakban
forrás: Mil-HDBK-5J

kezdeti repedés mérete

repedések és repedésszerű hibák gyakoriak a mérnöki anyagokban. A repedések általában a már meglévő hibák körül alakulnak ki, amelyek stresszkoncentrációként működnek, és amelyek nagy stressz vagy fáradtság esetén teljes értékű repedésekké alakulnak. Sok hiba elég komoly ahhoz, hogy repedésekként kezeljék őket, ezek közé tartoznak a mély karcolások, az idegen részecskék zárványai és a szemcsehatárok. Az anyaghibák mellett a feszültségkoncentrációként működő rész geometriai jellemzői repedéskezdeményezéshez vezethetnek, beleértve a bevágásokat, lyukakat, hornyokat és szálakat. A repedések más hibamechanizmusokon keresztül bevezetett hibákból is kiindulhatnak, például a korrózió miatti gödörből vagy a kopásból eredő kopásból.

a repedés kezdeti méretének meghatározása kritikus fontosságú a törés lehetőségének értékeléséhez. Konzervatív megközelítés a roncsolásmentes értékelési (NDE) módszer kiválasztása a vizsgált alkatrész ellenőrzésére, majd feltételezni, hogy a legkisebb kimutatható hibamérettel megegyező méretű repedés létezik a leginkább stresszes helyen lévő részben.

számos hivatkozás áll rendelkezésre, amelyek minimálisan kimutatható hibaméreteket biztosítanak a különböző NDE módszerekhez, amelyek közül az egyik a NASA-STD-5009. Az alábbiakban egy NASA-STD-5009 táblázatot mutatunk be az amerikai egységekre vonatkozóan, valamint egy megfelelő ábrát, amely az “a” és “c”repedésméretek meghatározását tartalmazza.

NDE NASA-STD - 5009 amerikai egységek
forrás: NASA-STD-5009
NDE NASA-STD-5009 hiba geometria
forrás: NASA-STD-5009

ha a legkisebb kimutatható hibaméret ismeretlen, vagy ha az alkatrészre nem terveznek NDE-ellenőrzést, akkor alternatív megközelítés a kritikus repedés méretének meghatározása az alkatrész leginkább megterhelt helyén. Ha ez a kritikus repedés mérete nagyon kicsi, akkor bölcs dolog lenne megvizsgálni az alkatrészt olyan NDE módszerrel, amely képes ilyen méretű repedés kimutatására.

Töréskalkulátorokat keres?

van néhány közül lehet választani:

  • törés mechanika kalkulátor
  • fáradtság repedés növekedés kalkulátor
  • törés anyagok Adatbázis
törésmechanikai számológép

műanyag zóna mérete

Síkfeszülés vs.Síkfeszülés

a műanyag zóna mérete attól függ, hogy az alkatrészt síkfeszülésnek vagy síkfeszülésnek tekintik-e. Síkfeszültségben a szakasz elég vékony ahhoz, hogy a szakasz vastagságán keresztüli feszültségek megközelítőleg állandóak legyenek. Sík-törzs esetén a szakasz vastagságán keresztül feszültségek alakulnak ki, hogy ellenálljanak az anyag összehúzódásának, és hogy a törzs az egész vastagságban megközelítőleg állandó legyen.

az alkatrész síktörzsűnek tekinthető, ha vastagsága megfelel a következő feltételnek:

ahol Kapp az alkalmazott feszültség feszültségintenzitása, Sty pedig az anyag szakítószilárdsága.

ha az alkatrész vastagsága kisebb a fenti egyenletben megadottnál, akkor a műanyag zóna méretét úgy kell kiszámítani, hogy az alkatrész síkfeszültségben van. Az alábbi táblázat összefoglalja a plane-stress és plane-strain műanyag zónaméreteit.

műanyag zóna mérete sík-stressz:
műanyag zóna mérete sík-törzs:

a következő szakaszok további részleteket tartalmaznak a műanyag zóna méretének levezetéséről.

műanyag zóna mérete Síkfeszültséghez

a repedés éles jellege miatt mindig lesz egy műanyag zóna közvetlenül a repedés csúcsa előtt. Használhatjuk az elasztikus feszültségtér-egyenleteket (amelyeket egy előző szakaszban tárgyaltunk) annak a repedéscsúcstól való elméleti távolságnak a megoldására, amelynél a feszültségek megegyeznek az anyag folyáshatárával. A rugalmas feszültségtér egyenlet:

az anyag folyáshatárának megfelelő feszültség beállítása és az r megoldása megadja a műanyag zóna elméleti méretét, rt:

ahol a Kapp az alkalmazott feszültség miatti feszültségintenzitás, a Sty pedig az anyag szakítószilárdsága.

ahhoz, hogy a tényleges műanyag zóna mérete megegyezzen az elméleti műanyag zóna méretével, a műanyag zónában lévő feszültségeknek lényegesen meg kell haladniuk az anyag folyáshatárát. Mivel a műanyag zónában a kapott anyag nem képes a hozamfeszültséget jóval meghaladó feszültségeket elviselni, a repedéscsúcs közelében lévő feszültségeket a távolabb eső anyagra osztják szét, ezért a műanyag zóna valódi mérete nagyobb, mint az elméleti előrejelzett érték. A műanyag zóna tényleges mérete megközelítőleg megegyezik a 2RT-vel, tehát a műanyag zóna méretének reálisabb becslését, az rp-t a:

az alábbi ábra szemlélteti az elméleti rugalmassági feszültséget és a műanyag zóna méretét, valamint az újraelosztott feszültségeket és a műanyag zóna méretének ebből eredő reális becslését.

műanyag zóna mérete

vegye figyelembe, hogy a műanyag zóna mérete arányos (Kapp/Sty)2. Ez azt jelzi, hogy a műanyag zóna kisebb lesz a nagyobb szilárdságú anyagoknál. Ezenkívül a nagyobb szívósságú anyagok nagyobb stresszintenzitást képesek kifejleszteni a törés előtt, így a műanyag zóna nagyobb szívósságú anyagokban nagyobb lesz, mielőtt meghibásodna. Az alacsony szakítószilárdságú és nagy törésállóságú anyagok nagyon nagy műanyag zónákat alakíthatnak ki a repedés csúcsán.

műanyag Zónaméret Síkfeszülés esetén

az előző szakaszban ismertetett műanyag zónaméret-becslések a síkfeszülés állapotra vonatkoznak, ahol a szakasz elég vékony ahhoz, hogy a szakasz vastagságán keresztüli feszültségek megközelítőleg állandóak legyenek. Ha a szakasz elég vastag ahhoz, hogy figyelembe lehessen venni a síkfeszültséget (azaz a szakasz vastagságán keresztül feszültségek alakulnak ki, hogy ellenálljanak az anyag összehúzódásának, és hogy a törzs az egész vastagságban megközelítőleg állandó maradjon), akkor a műanyag zóna mérete csökken a síkfeszültségű állapothoz képest.

a műanyag zóna mérete a sík-törzs feltétel lehet közelíteni, mint:

ahol a Kapp az alkalmazott feszültség miatti feszültségintenzitás, a Sty pedig az anyag szakítószilárdsága.

képlékeny vs. Törékeny törés

két referenciakeret van a képlékeny törés és a törékeny törés tárgyalásakor. Ezek a referenciakeretek a törés mechanizmusa és a törés módja.

amikor az anyagtudósok törékeny törésről és képlékeny törésről beszélnek, általában a törési mechanizmusra utalnak, amely mikroszkopikus szinten írja le a törési eseményt. Általában a törékeny törési mechanizmus hasítás, a képlékeny törési mechanizmus pedig gödrös törés, más néven mikrovoid koaleszcencia. A hasítási mechanizmus törékeny töréssel jár. Kevés képlékeny deformációval jár,a törési felület pedig gerincekkel sima. A mikrovoid koaleszcencia mechanizmus a képlékeny töréshez kapcsolódik. Ez a mechanizmus magában foglalja a kis üregek kialakulását, növekedését és összekapcsolását az anyagban, amely a műanyag áramláson keresztül engedélyezett, és a törés felülete gödrösnek tűnik, mint egy golflabda.

amikor a gépészmérnökök törékeny törésről és képlékeny törésről beszélnek, általában a törési módra utalnak, amely leírja az anyag magas szintű viselkedését a törési esemény során. Az alábbi ábra szemlélteti a törési módot.

műanyag zóna mérete vs terhelés

terhelés-elmozdulási görbe látható a görbe mentén különböző helyeken elhelyezett repedt mintákkal együtt. Az alacsonyabb terhelésű görbe Lineáris tartományában az alkatrész feszültsége az anyaghozam-szilárdság alatt van. Ha az alkatrész meghibásodna ebben a régióban, ezt törékeny törésnek neveznék, mivel az alkatrész meghibásodott, mielőtt az anyagok szilárdsági módszereivel előre jeleznék. Vegye figyelembe, hogy ebben a régióban a repedéscsúcs körüli műanyag zóna (piros színnel látható) általában kicsi lesz, ezért a lineáris elasztikus feltételezés érvényes, és a lineáris Elasztikus Törésmechanika (LEFM) használható az alkatrész elemzésére. A terhelés növekedésével a műanyag zóna mérete növekszik. Ha az alkatrész a terhelés-elmozdulás görbe magasabb tartományában meghibásodik, ezt képlékeny törésnek nevezzük. Ha a műanyag zóna mérete meghaladta a LEFM alkalmazhatóságát, de még nem terjedt ki a teljes szakaszra, akkor rugalmas-műanyag módszerek, például a Hibaértékelési Diagram (FAD) alkalmazhatók az alkatrész elemzésére. Miután a műanyag zóna mérete kiterjedt az egész szakaszra (bruttó szakasz hozam), a törésmechanikai módszerek már nem használhatók, és a szakaszt az anyagok szilárdságának megközelítésével kell elemezni.

Töréskalkulátorokat keres?

van néhány közül lehet választani:

  • törés mechanika számológép
  • fáradtság repedés növekedés kalkulátor
  • törés anyagok Adatbázis
törésmechanikai számológép

statikus Töréselemzési módszerek

statikus töréselemzést kell végezni, figyelembe véve azt a csúcsterhelést, amelyet az alkatrész élettartama alatt várhatóan látni fog. A statikus elemzési módszerekben a terhelés állandó, és nem változik az idő múlásával.

másrészt a fáradtsági repedés növekedési elemzése felhasználható az időben változó terhelés miatti repedés növekedésének megfontolására. Az alkatrész teljes élettartama alatt a terheléseket általában úgy tekintik, hogy biztosítsák, hogy a repedés ne növekedjen kritikus méretre.

a következő szakaszok számos standard módszert ismertetnek a statikus töréselemzés elvégzésére. A fáradtság repedésnövekedésének témája egy másik oldalon található.

lineáris Elasztikus Törésmechanika (LEFM)

lineáris elasztikus Törésmechanika (LEFM) a korábban tárgyalt k stresszintenzitási tényező fogalmát használja. A repedéscsúcson lévő feszültségintenzitási tényezőt kiszámítják, majd összehasonlítják az anyag kritikus feszültségintenzitásával. A síktörés törési szívósságát, a K IC-t általában a kritikus feszültségintenzitás értékeként választják a tervezéshez és az elemzéshez. A biztonsági tényezőt ezután a következőképpen számítják ki:

ahol a Kapp a stresszintenzitási tényező a repedéscsúcson az alkalmazott stressz miatt.

alkalmazhatósága LEFM

lineáris elasztikus törés mechanika (LEFM) feltételezi, hogy az anyag viselkedik egy lineáris-rugalmas módon. Ahhoz, hogy ez a feltételezés érvényes legyen, a műanyag zóna méretének kicsinek kell lennie az alkatrészhez és a repedésgeometriához képest. Ha a műanyag zóna mérete túl közel van az alkatrész határaihoz, akkor a helyzet megközelíti a szakasz bruttó hozamát.

a műanyag zóna közvetlenül a repedéscsúcs előtt helyezkedik el. Általában a repedés csúcsának legalább dLEFM távolságnak kell lennie bármely részhatártól, ahol a dLEFM az alábbiakban van meghatározva. Vegye figyelembe, hogy a dLEFM megegyezik a sík-stressz állapot műanyag zónájának 4-szeresével.

példaként vegye figyelembe az egyélű repedés esetét. Ebben az esetben a LEFM alkalmazhatóságához a következő feltételnek kell teljesülnie:

LEFM alkalmazhatóság

Failure Assessment Diagram (fad)

ha a LEFM nem alkalmazható, akkor rugalmas-műanyag elemzést kell alkalmazni a repedés közelében lévő plaszticitás hatásainak figyelembevételére. A Hibaértékelési Diagram (fad) a leggyakoribb rugalmas-műanyag elemzési módszer.

 Hibaértékelési Diagram (FAD)

a fenti FAD diagramban a hiba helye piros színnel jelenik meg. Ez a hiba lokusz az anyagra jellemző, és az elkészítésének részleteit megadjuk.

egy terv elfogadhatóságának értékeléséhez a vizsgált terhelési esetre ki kell számítani a feszültségarányt (SR) és a feszültségintenzitás arányt (Kr):

ahol az app az alkalmazott feszültség, a Kapp az alkalmazott feszültség intenzitása, a Sty az anyag szakítószilárdsága, a K IC pedig az anyag sík-törzs törési szilárdsága.

rajzolja fel az aktuális terhelési eset tervezési pontját ( Sr , Kr ) a FAD diagramon, és győződjön meg arról, hogy az a FAD meghibásodási helyére esik. A biztonsági tényező kiszámításához húzzon egy vonalat az eredettől a tervezési ponton keresztül, és folytassa ezt a vonalat, amíg az keresztezi a FAD hiba helyét. Ezt a sort terhelési vonalnak nevezzük. A biztonsági tényező a kiindulási pont és a tervezési pont közötti terhelési vonal hosszának aránya, valamint a kiindulási pont és a meghibásodási pont közötti terhelési vonal hossza. A fenti ábrán a tervezési pont a FAD meghibásodási helyére esik, a biztonsági tényező pedig körülbelül 3,0.

a fenti ábrán vegye figyelembe, hogy a LEFM meghibásodási helye pontozott vízszintes vonalként jelenik meg, és hogy a FAD meghibásodási helye a LEFM lokusz alá esik. Ez azt jelzi, hogy a LEFM használatával készített kudarc-előrejelzések nem konzervatívak. A fad görbében a csökkent meghibásodási lokusz oka az, hogy a repedéscsúcs közelében lévő plaszticitás növeli a tényleges repedéshosszt, ezáltal növeli a repedéshelyzet súlyosságát.

vegye figyelembe azt is, hogy a műanyag összeomlásának meghibásodási helyét (azaz az anyagszilárdság-módszerekkel előre jelzett meghibásodási helyet) függőleges szaggatott vonalként mutatjuk be. A FAD meghibásodási lokusz áthalad a műanyag összeomlási lokuszon, majd jobbra tolja, ami azt jelzi, hogy az alkatrész erősödik. A törzskeményedés okozza ezt a látszólagos szilárdságnövekedést.

hasznos megjegyezni, hogy a “naiv” meghibásodási lókuszok közül melyik keresztezi a terhelési vonalat. Ha a terhelési vonal keresztezi a LEFM meghibásodási helyét, akkor az alkatrész szilárdságát a vizsgált terhelési eset törése korlátozza, tehát törés miatt kudarcot vall, mielőtt hozama lenne. Ha a terhelési vonal keresztezi a műanyag összeomlás meghibásodási helyét,akkor az alkatrész szilárdságát korlátozza az aktuális terhelési esethez való hozam.

a FAD hiba lokuszát a:

ahol E az anyag rugalmassági modulusa, Sty az anyag szakítószilárdsága, Sr pedig a fent meghatározott feszültségarány. Az eref érték az Sr * Sty feszültségnek megfelelő valódi törzs, amelyet a Ramberg-Osgood egyenlet segítségével lehet kiszámítani.

vegye figyelembe, hogy a FAD hiba lokusz csak a feszültségarány függvénye, Sr.a hiba lokuszt meghatározó egyenlet minden más paramétere állandó anyagtulajdonság. A lokusz felépítéséhez söpörje át a feszültségarányok tartományát 0-tól az anyag Valódi végső szilárdságának megfelelő maximális feszültségarányig.

az utolsó szempont, amelyet figyelembe kell venni a FAD megközelítéssel kapcsolatban, az, hogy figyelembe veheti az anyag plaszticitását, miközben továbbra is lineáris-rugalmas stresszintenzitást alkalmaz. Ez lehetővé teszi a FAD módszer egyszerűségét, és jelentős előnyt jelent más rugalmas-műanyag módszerekkel szemben.

maradék szilárdsági görbe

a maradék szilárdsági görbe az alkatrész szilárdságát mutatja a repedés méretének függvényében. Ha nincs repedés, az alkatrész szilárdsága megegyezik az anyag folyáshatárával. A repedés növekedésével azonban csökken az erő (azaz a meghibásodás előtt elviselhető stressz mennyisége).

az alábbi ábra egy példa esetére vonatkozó maradék szilárdsági görbét mutat be. Ez az eset egy 2 hüvelykes széles lemezre vonatkozik, amelynek középpontja a repedés, és egy olyan anyag, amelynek folyási szilárdsága 145 ksi, a sík törésállósága pedig 60 ksi*in0.5. A maradék szilárdsági görbe piros színnel jelenik meg. Egy adott repedésméret esetén a görbe feletti feszültségérték meghibásodást eredményez.

maradvány szilárdsági görbe

egy terv elfogadhatóságának értékeléséhez rajzolja meg a tervezési pontot ( a, xhamapp) az adott esetre , ahol a a repedés hossza és az alkalmazott kombinált feszültség. Rajzoljon függőleges vonalat a maradék szilárdsági görbéig – ez a metszéspont képviseli a meghibásodási pontot, ha a repedés méretét állandónak tartják, de a stressz a kritikus (meghibásodási) pontra nőtt. Rajzoljon egy másik függőleges vonalat vízszintesen a maradék szilárdsági görbéhez – ez a metszéspont a meghibásodási pontot jelenti, ha a feszültséget állandónak tartják, de a repedés méretét a kritikus (meghibásodási) pontra növelik. Ezután kiszámíthatók az egyes meghibásodási feltételek biztonsági tényezői:

a kritikus stressz biztonsági tényezője:
biztonsági tényező a kritikus repedéshosszon:

vegye figyelembe a fenti ábrán látható elméleti kritikus feszültséggörbét, kék szaggatott vonallal. Ezt az elméleti görbét, amely az elméleti kritikus stresszértéket biztosítja a repedés hosszának függvényében, a:

fontos megjegyezni, hogy általában az Y geometriai tényező a repedés méretének függvénye. Tehát, mivel a repedés mérete változatos, az Y értéke is változik. Általában az Y értéke akkor tetőzik, amikor a repedés mérete nagy lesz az alkatrész méreteihez képest, ami megmagyarázza, hogy a maradék szilárdsági görbe miért esik le a kritikus feszültségértékre 0 az alkatrész határán.

fontos megjegyezni azt is, hogy amint a repedés mérete megközelíti a 0-t, az elméleti kritikus stressz megközelíti a végtelent. Ez nyilvánvalóan irreális, mivel az anyag szakítószilárdsága felső határt szab annak a feszültségnek, amelyet az anyag képes ellenállni. A maradék szilárdsági görbe korrigálásához a kis repedéstartományban egyenes vonalat kell húzni az anyag szakítószilárdsága és az elméleti kritikus feszültséggörbe érintőpontja között. Bizonyos esetekben lehetetlen megtalálni az érintő pontot. Ebben a helyzetben a Liu útmutatást ad arra, hogy az egyenes vonalú görbe és az elméleti kritikus feszültséggörbe közötti átmeneti pont azon a ponton vehető fel, ahol az elméleti kritikus feszültség megegyezik az anyag szakítószilárdságának 2/3-ával.

fáradtság repedés növekedés

ez a törésmechanikai oldal a repedt alkatrészek statikus terhelési körülmények között történő elemzésével foglalkozott (azaz állandó terhelésű körülmények között, amelyek nem változnak az idővel). Abban az esetben, ha a terhelés idővel változik, a repedéscsúcs feszültségintenzitása is változik. A repedés növekedni fog abban az esetben, ha a feszültségintenzitás varianciája meghaladja az anyag küszöbfeszültség-intenzitását. A repedés növekedését változó stresszintenzitású körülmények között fáradtság-repedés-növekedésnek nevezzük, amelyet a fáradtság-repedés-növekedés elemzési oldalunkon ismertetünk.

Töréskalkulátorokat keres?

van néhány közül lehet választani:

  • törés mechanika kalkulátor
  • fáradtság repedés növekedés kalkulátor
  • törés anyagok Adatbázis
törésmechanikai számológép

  1. AFRL-VA-WP-TR-2003-3002, ” USAF Kártűrő tervezési kézikönyv: Útmutató a Kártűrő Repülőgép-szerkezetek elemzéséhez és tervezéséhez,” 2002
  2. API 579-1 / ASME FFS-1, “Fitness-For-Service”, az American Petroleum Institute és az American Society of Mechanical Engineers, 2007
  3. Anderson, TL, “Törésmechanika: alapok és alkalmazások,” 3.kiadás
  4. Budynas-Nisbett, “Shigley Gépészmérnöki tervezés,” 8. kiadás.
  5. Callister, William D., ” Materials Science and Engineering: an Introduction,” 9. kiadás
  6. Dowling, Norman E., ” az anyagok mechanikai viselkedése: Mérnöki módszerek deformáció, törés és fáradtság,” 3. kiadás
  7. Liu, Alan F., “szerkezeti Életértékelési módszerek,” ASM International, 1998
  8. Mil-HDBK-5J, “fémes anyagok és elemek a repülőgépipar jármű szerkezetek,” Department of Defense Handbook, 2003
  9. NASA-STD-5009, “roncsolásmentes értékelési követelmények törés-kritikus fém alkatrészek,” 2008
  10. Naval Sea Systems Command, “törés szívósság felülvizsgálati folyamat Fémek Kritikus Nem nukleáris fedélzeti alkalmazások,” 1998
  11. Sanford, R. J., “A Törésmechanika alapelvei”, 1. kiadás

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.