Unava hridelu - Mechanika
Download
Report
Transcript Unava hridelu - Mechanika
1
Únavová pevnost
velkých hřídelů
Milan Růžička
Ústav mechaniky
Fakulta strojní
ČVUT v Praze
Přístupy přes nominální napětí
(Nominal Stress Approach - NSA)
5
9
Syntetické křivky únavy
800
m a te riá l o c e l 3 0 0 M , R m = 2 0 0 0 M P a
R = -1
m a te riá l o c e l 3 0 0 M , R m = 2 0 0 0 M P a
R = -1
800
a lfa g a m a
1 .0 0 0 .0 0
1 .7 5 1 .3 5
2 .0 0 1 .9 4
2 .2 5 2 .5 9
2 .5 0 3 .3 1
3 .0 0 4 .9 8
3 .5 0 6 .9 4
4 .0 0 9 .2 2
4 .5 0 1 1 .8 0
5 .0 0 1 4 .7 1
5 .5 0 1 7 .8 9
a lfa = 1 ,0 ..k a ta lo g
a lfa = 2 ,0 ..k a ta lo g
700
700
a lfa = 3 ,0 ..k a ta lo g
a lfa = 5 ,0 ..k a ta lo g
600
a lfa = 2 ,0 ..v ý p o č e t
a lfa = 3 ,0 ..v ý p o č e t
a lfa = 5 ,0 ..v ý p o č e t
500
400
300
A m p litu d a n a p ě tí km
[M P a ]
a itu
A m p l i tu d a n a p ě tí k m
[M P a ]
ai tu
600
500
400
300
200
200
100
100
0
1 .0 E + 0 4
1 .0 E + 0 5
1 .0 E + 0 6
P o č e t k m itů N [1 ]
1 .0 E + 0 7
1 .0 E + 0 8
0
1 .0 E + 0 4
1 .0 E + 0 5
1 .0 E + 0 6
P o č e t k m itů N [1 ]
1 .0 E + 0 7
1 .0 E + 0 8
10
Heywood
modifikace
N 1 1 N
1 10 K 1
Siebel-Stiller
E
log N
N
E
B log N
Re
0.35
810
1 10
4
log N
N
4
B log N
Materiál
K1
3.686
300M
2024-T3 0.798
2024-T4 0.848
AISI 4130 0.131
Parametr
K2
K3
0.1 -0.98
0.35 -0.33
0.16 -0.64
0.15 -0.8
E 4 K 2
K4
6000
6000
6000
8200
1
K 4
B
K3
R
1
m
2
Horní napětí km itu [MPa]
Princip a výhody metody LESA
C
C
700
hladký vzorek
600
500
vzorek s vrubem
A N
N
A N
křivka pro MKP ve
vrubu
MKP
400
kor
300
C
n
200
100
x
C
x C = C /
N
0
1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08
Počet kmitů N [1]
FEM n
kor
kor
N
N
FEM
11
Specifika dílů velkostrojů
Faktory:
• Polotovary i díly velkých rozměrů
• Jakost povrchu
• Svěrné a kontaktní spojení,
koncentrátory napětí
• Svarové spoje - nežíhané
• Nepříznivé provozní podmínky…
12
Faktor velikosti při nehomogenní napjatosti
D1,bend
1
o D
1,tens 1 2a
D
Peterson:
a = 0.25
Factor o [-]
1,2
1,1
1
0,9
0
200
400
600
800
Shaft diameter [mm]
1000
13
Faktor velikosti při homogenní napjatosti
D
1
d 10
1
V
V
D
exp
d
exp
m
14
15
Expermentální výsledky
CNIITMAŠ Rusko
Parametr
Rp0,2
Rm
110
118
1n
1n
MPa
MPa
MPa
MPa
MPa
MPa
10 mm
=1
18 mm
=1
18 mm
=4
180 mm
=4
Vzorek
n180
[-]
ocel St3
200
380
175
185
95
75
2.3
ocel 45
280
540
248
220
145
55
4.5
40ChN2MA
760
920
423
335
185
65
6.5
16
Vliv jakosti povrchu
p
component
1
etalon
1
17
Únavová pevnost nalisovaných spojení
Vliv oduhličení na únavovou pevnost
(SVÚM Praha - ocel 300M)
without hardening
shot peening
18
MKP Analýza vlivu nalisování
kolesa K 2000 na hřídel
1
2
3
19
20
MKP Analýza – postup výpočtu
3 kroky řešení
• uvedení do kontaktu – start výpočtu
• lisování – síla inkrementálně roste až do
max. hodnoty
• fixování – utažení pojistných šroubů před
sejmutím předpínacího zařízení
21
Výsledky MKP výpočtu
CPRESS
VALUE
+0.00E+00
+2.82E+00
+5.64E+00
+8.46E+00
+1.13E+01
+1.41E+01
+1.69E+01
+1.98E+01
+2.26E+01
+2.54E+01
+2.82E+01
+3.10E+01
+3.39E+01
+3.67E+01
1
DISPLACEMENT MAGNIFICATION FACTOR =
2
3
RESTART FILE = rypadlo-var5_3
TIME COMPLETED IN THIS STEP
ABAQUS VERSION: 5.8-10
1.00
STEP 3
1.00
INCREMENT 14
TOTAL ACCUMULATED TIME
DATE: 17-JUL-2001
TIME: 10:45:37
3.00
Návrh únavové křivky osy kolesa
•
•
•
•
Materiál ocel ČSN 16 343.9
výkovek
zušlechtěno na Rm= 686-830 MPa
jakost povrchu Ra=6,3
Únavové křivky materiálu
• Zkoušky SVUM Praha
–
–
–
–
–
–
–
ocel 16341.9 , Rm= 1560 MPa !!
tah-tlak : vzorky bez vrubu (=1)
tah-tlak : vzorky s vrubem
krut : vzorky s vrubem (=1,48)
cyklus sym. střídavý (R=-1)
cyklus míjivý (R=0)
Pravděpodobnost lomu 50% , 1%
Navrhování na trvalou pevnost
d 10
p
1
D
1
kde
d110 je mez únavy hladkého etalonového vzorku
je součinitel vlivu velikosti
p je součinitel jakosti povrchu
je součinitel vlivu případných dalších technologických úprav
je součinitel vrubu, který určíme podle některé z rovnic
1 1 q
d110 p 288 0,42 0,93
1 93
1,20
D
1
1
1
1 a / R 0,2
0,77
a/R
3,8
t/R
a / R 3 t / R 3 a / R t / R
2
Únavové křivky
Únavové křivky
ocel 16 341.9 , Rm= 1560 MPa
ocel 16 341.9 , Rm= 1560 MPa
1000
tah-tlak (R=-1)
900
alfa= 2,28 tahtlak (R=-1)
tah-tlak (R=-1)
P=1 %
míjivý tah (R=0)
800
krut (R=-1)
700
600
500
400
700
600
500
400
300
300
200
1.0E+04
200
1.0E+04
1.0E+05
zkušební vzorky:
s vrubem
tah-tlak: průměr 6 mm
alfa=2.28
900
tah-tlak (R=-1)
P=1 %
míjivý tah (R=0)
Horní napětí kmitu [MPa]
Horní napětí kmitu [MPa]
800
1000
zkušební vzorky:
bez vrubu
1.0E+06
Počet kmitů N [1]
1.0E+07
1.0E+05
1.0E+06
Počet kmitů N [1]
1.0E+07
800
700
700
600
600
Amplituda napětí kmitu [MPa]
Amplituda napětí kmitu [MPa]
800
materiál ocel 16 341.9 , Rm= 1560 MPa
R=-1
500
400
300
200
100
0
1.0E+04
tah-tlak (R=-1)
alfa=2,00..výpočet
alfa=2,28..výpočet
alfa=3,00.výpočet
alfa=4,00..výpočet
1.0E+05
1.0E+06
Počet kmitů N [1]
1.0E+07
Rodina únavových křivek tah-tlak
etalonové vzorky
materiál ocel 16 343.9 , Rmmin= 686MPa
R=-1
alfa gama
1,00 0,0000
1,75 0,0106
2,00 0,0153
2,25 0,0204
2,50 0,0263
2,75 0,0325
3,00 0,0396
500
400
300
200
100
0
1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 1.0E+08
Počet kmitů N [1]
Rodina únavových křivek osy kolesa
namáhání ohybem
materiál ocel 16 343.9 , Rmmin= 686 MPa
R=-1
Amplituda napětí kmitu [MPa]
500
hladký D=720
hladký d=6
alfa gama
1,26 0,01
1,50 0,02
1,75 0,02
2,00 0,03
2,25 0,04
2,70 0,06
400
300
200
100
0
1.0E+04
150
Amplituda napětí kmitu [MPa]
600
200
1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07
Počet kmitů N [1]
Rodina únavových křivek osy kolesa
namáhání ohybem
materiál ocel 16 343.9 , Rmmin= 686 MPa
R=-1
1.0E+08
hladký D=720
hladký d=6
alfa gama
1,26 0,01
1,50 0,02
1,75 0,02
2,00 0,03
2,25 0,04
2,70 0,06
100
50
0
1.0E+04
1.0E+05
1.0E+06
Počet kmitů N [1]
1.0E+07