Расчеты и испытания на прочность

Общие сведения о прочности продукции

Качество продукции машиностроения оценивается по ряду показателей. Одним из основных показателей, которые характеризуют качество готовых изделий, является прочность. Она представляет собой способность готового изделия сопротивляться разрушению, которое происходит под действием напряжений, возникающих из-за оказания воздействия внешними силами. Кроме того, прочность можно назвать свойством объекта выполнять в течение заданного времени свое назначение без какого-либо разрушения.

Выделяют несколько разновидностей прочности изделий:

• статическая прочность - имеет место при действии постоянных нагрузок;
• динамическая прочность - имеет место при действии переменных нагрузок;
• усталостная прочность (выносливость) - имеет место при действии циклических переменных нагрузок.

Продукция машиностроения может характеризоваться двумя видами прочности. Во-первых, общая прочность характеризует способность всего продукта выдерживать нагрузки без разрушения. Во-вторых, местная прочность характеризует способность отдельных узлов, деталей, соединений продукта выдерживать нагрузки без разрушения.

Характеристика расчетов на прочность

Расчет прочности продукции машиностроения заключается, прежде всего, в вычислении значения такого показателя, как коэффициент запаса. Этот показатель демонстрирует способность конкретного продукта выдерживать нагрузки, которые прилагаются к нему выше расчетных нагрузок.

Для того чтобы найти фактическое значение коэффициента запаса, необходимо предельно допустимое значение рассматриваемой величины (силы, напряжения, перемещения и т.д.), полученной при механических испытаниях материала, поделить на расчетное значение этой величины. Стоит отметить, что выбор величины соответствует критерию работоспособности продукта.

Коэффициент говорит о наличии или отсутствии запаса прочности. Если запас прочности есть, то продукт обладает дополнительной надежностью, которая позволяет избежать повреждений и разрушения в случае возможных ошибок проектирования, изготовления или эксплуатации.

Критерий работоспособности продукта выполняется, если рассчитанный коэффициент запаса превышает минимально допустимый коэффициент запаса.

Не имеется каких-либо строгих методов выбора допустимых коэффициентов запаса, что объясняется сущностью коэффициента как меры незнания всех факторов, которые оказывают влияние на функционирование продукта. Коэффициент выбирается на основе опыта эксплуатации аналогичных продуктов.

Каждая отрасль промышленности отличается собственными нормативами, которые определяют допустимые коэффициенты запаса. Наименьшие коэффициенты используются в аэрокосмической отрасли, поскольку к весу конструкции предъявляются жесткие требования. В свою очередь, очень большие запасы используются для грузоподъемного оборудования, которое перевозит людей (например, трос пассажирского лифта).

При расчете на прочность по допускаемым напряжениям коэффициент запаса вычисляется через соотношение максимального напряжения в объеме тела (в виде нормального, касательного или эквивалентного напряжения) к допустимому напряжению (в виде предела текучести, прочности / временного сопротивления, длительной прочности, ползучести). Причем значения допустимых напряжений, которые получены экспериментальным путем, могут умножаться на поправочные коэффициенты, которые определяются различными факторами (например, критичность поломки продукта, учет отклонений нагрузки, наличие или отсутствие упрочняющей термообработки и др.).

Для того чтобы определить прочность объекта и рассчитать его напряженно-деформируемое состояние, сейчас используют современные наукоемкие технологии. Речь идет про системы компьютерного инженерного анализа, в основе которых лежит применение сеточных методов решения задач математической физики. На данный момент наибольшей эффективностью отличается такой универсальный метод, как метод конечных элементов (МКЭ).

Характеристика испытаний на прочность

Для определения значений воздействующих факторов, которые вызывают выход значений характеристик свойств продукта за установленные пределы или его разрушение, проводят испытания на прочность. Они, как правило, проводятся с целью контроля соответствия объектов машиностроения, которые функционируют под давлением, требованиям безопасности.

Проведение испытаний на прочность означает оставление под давлением в течение определенного времени объекта, которое превышает рабочее значение. После этого объект изучается с целью обнаружения механических разрушений, остаточных деформаций, утечек. Значение испытательного давления, время выдержки и допустимые значения утечек определяются производителем во время разработки и утверждения программы и методики испытаний.

По применяемым методам испытания на прочность могут быть гидравлическими или пневматическими. Гидравлические испытания на прочность базируются на использовании в качестве испытательной среды воды или керосина. Пневматические испытания на прочность проводятся при помощи воздуха, гелия или фреона, которые используются как испытательная среда.

Испытания на прочность должны соблюдать повышенные требования безопасности. Отсюда следует возможность проведения подобного испытания только квалифицированным персоналом, который прошел специальное (теоретическое, производственное) обучение по охране труда. Кроме того, могут быть использованы только поверенные средства измерений и аттестованное испытательное оборудование.