Одним из наиболее важных средств, позволяющих влиять на прочность деталей машин, особенно на усталостную прочность, является установление наиболее рациональной конфигурации детали.
Создаваемая конфигурация отливки должна наилучшим образом отвечать равномерному распределению напряжений. Распределение напряжений можно определять с помощью экспериментальных методов. Эти методы становятся особенно ценными при расчете деталей сложной конфигурации, для которых аналитический метод определения напряжений весьма сложен.
Экспериментальные методы анализа напряжений позволяют определить действительную величину напряжений в зависимости от формы и размера детали, а также в зависимости от распределения и величины нагрузки, и, сравнив различные конфигурации отливок, выбрать ту, которая дает наименьшие напряжения.
Наиболее широко применяются следующие экспериментальные методы анализа напряжений:
а) тензометрический метод,
б) метод нанесения хрупких покрытий (оболочек),
в) оптико-расчетные методы исследований на прозрачных моделях (эла-стооптика),
г) методы аналогии (оболочковой, гидродинамической, электрической и др.),
д) рентгенографические методы.
Чаще всего применяются механические тензометры и электротензометры омического сопротивления. Механический тензометр снабжен двумя остриями с очень малым расстоянием а между ними (обычно от 2 до 20 мм), изменения которого с большой точностью измеряются при помощи чувствительного механического, оптического или электрического устройства. Электротензометры омического сопротивления, прикрепляемые к поверхности детали, основаны на изменении сопротивления проводника в зависимости от его удлинения. Эти тензометры дают возможность производить измерения как при статических, так и при динамических нагрузках.
Вдавливая острие тензометра в материал исследуемой детали машины или в материал модели этой детали, можно измерить местное удлинение ε = ΔL/L в направлении смещения острия и затем на основании расчетов
определить развивающееся в материале напряжение. Чрезвычайно удобны измерения, производимые на увеличенных моделях при одновременном использовании большего числа тензометров, установленных в разных направлениях и в разных местах исследуемой модели.
Существуют тензометры с точностью измерения, равной доли миллиметра, тензометры, увеличивающие расстояние между остриями ΔL в 105 раз, и тензометры малых размеров, помещающиеся в отверстиях диаметром 12 мм. Для определения деформации при сдвиге используют приборы, указывающие изменение угла между двумя перпендикулярами к поверхности детали. Используются также специальные тензометры, определяющие изменение кривизны поверхности.
При определении напряжений исходят из того, что материал, из которого изготовлена деталь или ее модель, является изотропным и подчиняется закону Гука.
Перед тензометрическими измерениями чугунных отливок рекомендуется несколько раз нагружать их и снимать нагрузку для получения более равномерных значений результатов измерений.
К преимуществам тензометрического метода относятся:
1) возможность производить исследования на самых изделиях, независимо от их размеров и сложности;
2) возможность измерений не только при статических, но и при динамических нагрузках;
3) возможность исследований упругих и пластических деформаций.
Недостатком этого метода является то, что он позволяет производить измерения только на поверхности детали, требует большого числа тензометров и не дает такой полной и ясной картины распределения напряжений, как некоторые другие методы.
Тензометрические исследования можно облегчить с помощью предварительного определения направлений главных деформаций методом нанесения хрупких покрытий. С этой целью модель или исследуемую деталь машины покрывают специальным лаком, прочно пристающим к ее поверхности. После высушивания лак становится очень хрупким. При соответствующем нагружении детали на поверхности покрытия ясно проступают сплошные черточки (трещины), направленные перпендикулярно к направлению наибольшего удлинения и параллельно направлению наименьшего удлинения (рис. 1). Очередность появления трещин, зафиксированная рядом фотографических снимков, и окончательная их густота на поверхности отливки, находящейся под полной нагрузкой, ориентировочно могут служить мерой величины местных удлинений и напряжений.
Рис. 1. Трещины хрупкого покрытия на поверхности растягиваемого кольца (а) и траектория главных напряжений (б), полученная эластооптическим методом. Сплошные и пунктирные линии соответствуют растягивающим и сжимающим напряжениям. (Эскиз а представлен в меньшем масштабе, что позволяет лучше видеть трещины).
Для определения направления главных деформаций в деталях, подвергающихся сжатию, их покрывают лаком под нагрузкой, трещины на лаке образуются при снятии этой нагрузки.
Кроме определения главного направления напряжений на поверхности исследуемой детали при данной нагрузке, метод нанесения покрытий позволяет также обнаруживать места, где появляется концентрация напряжений. Применяя покрытия, дающие трещины при различном удлинении, можно определить величину основных напряжений в любом месте исследуемой детали. Однако точность измерений невысока: при напряжении 10-12 кГ/мм2 ошибки составляют около 25%.
Метод хрупких покрытий пригоден больше всего для качественной оценки распределения напряжений, для определения наиболее напряженных участков и направления главных напряжений. В качестве примера специального применения метода хрупких покрытий можно привести определение напряжений, возникающих при сверлении отверстий в летали, покрытой хрупкой оболочкой. Характер и вид трещин позволяют определить значение и величину напряжений.
Эластооптические методы основаны на том, что прозрачные аморфные материалы, такие как целлулоид, фенолфор-мальдегидные массы и т: п., являются оптически изотропными лишь тогда, когда они не находятся под нагрузкой. Это позволяет производить исследование напряжений плоских систем произвольной формы и под произвольной нагрузкой с помощью просвечивания поляризованным светом прозрачных моделей, вырезанных из плит. На основании темных полос, так называемых изоклин (изоклиной называется геометрическое место точек, где направления главных напряжений одинаковы. Параметр изоклины равен углу отклонения одного из главных направлений по отношению к принятой системе) появляющихся на площади исследуемой модели, можно определить траектории главных напряжений (траекториями главных напряжений называется комплекс двух взаимно ортогональных групп линий, имеющих ту особенность, что касательные к ним в любом месте указывают направление главных напряжений. Следовательно, траектории главных напряжений обозначают в каждом месте сечение, в котором существуют лишь нормальные напряжения, а напряжения касательные равны нулю. Траектории главных напряжений часто называют линиями действия сил) и вычислить их относительную величину.
Необходимо помнить, что материал, из которого изготовлена модель, является однородным и во время нагрузки в период исследования подчиняется закону Гука. Исходя из этого, полученные результаты можно применять только по отношению к деталям, изготовленным из однородного материала и работающим при нагрузках ниже предела пропорциональности.
Опубликовано: 2014.09.01 Обновлено: 2014.09.10 | 
