Усталость при действии циклических нагрузок

Статья доступна на других языках:
Усталость – появление и развитие трещин в материале от действия циклических нагрузок – наиболее опасный механизм разрушения стали. Материал подвергается воздействию повторяющихся напряжений и деформаций, из-за чего разрушение может происходить даже при напряжениях, гораздо меньших, чем предел текучести.


Некоторые факты об усталости

  • Первая статья с упоминанием явления усталости датируется 1837 годом;
  • Усталость вызывает необратимые повреждения, после которых материал не способен восстанавливаться;
  • Сталь имеет теоретический предел усталости; постоянное действие нагрузки ниже этого предела не приведёт к усталостному разрушению;
  • Усталостное разрушение вызывают в основном растягивающие напряжения, но сжимающие напряжения также могут быть опасны;
  • Более широкий диапазон действующих напряжений приводит к сокращению срока службы конструкции;
  • Температура, неровности поверхности, остаточные напряжения и другие факторы приводят к более раннему усталостному разрушению.

Стадии развития усталостного разрушения

В целом выделяют три стадии усталостного разрушения:

  • Первая стадия – Появление трещин;

Микроскопические трещины начинают появляться в окрестностях геометрических концентраторов напряжений, например, по краям. Когда их ширина начинает превышать 10 мкм, можно говорить, что полноценной трещине. 

  • Вторая стадия – Увеличение трещин;

Степень развития трещин зависит от диапазона циклических нагрузок, средней величины напряжений, а также от перегруза и недогруза. Развитие трещин может также приостановиться, если нагрузки будут меньше порогового значения. 

  • Третья стадия – Распространение трещин.

Распространение трещин происходит, когда микроскопические трещины и соответствующие напряжения достигают определённых значений. Когда напряжения превосходят значения ударной вязкости (количественное значения прочности материала при хрупком разрушении при наличии трещин), произойдёт неконтролируемое хрупкое разрушение.

Как предотвратить усталостное разрушение

Эффекты усталости можно снизить или вовсе избежать при правильном проектировании. Для стальных конструкций существует два основных способа предотвращения усталостного разрушения. 

1. Поддержание уровня напряжений ниже порогового значения усталости (концепция бесконечного срока службы конструкции)

Усталостная долговечность, Nf – это количество циклов напряжений определённого характера, которое может выдержать конструкция перед разрушением. Для стали существует теоретическое значение амплитуды напряжений, ниже которого материал не будет разрушаться при любом количестве циклов нагружения. Это значение называется пределом усталости или пределом выносливости. 

Согласно AndrewDressel, English Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6319461

2. Оценка усталостных характеристик конструкции с помощью программного обеспечения

Расчёт с помощью специализированного ПО может помочь выявить области, потенциально опасные с точки зрения усталостного разрушения. Это поможет пересмотреть проектные решения, например, перенаправить поток напряжений в нужные места, скорректировать размеры конструкции, расположение отверстий и т.д. 

Наше решение

Первый шаг к решению этой большой задачи был сделан с выходом новой версии IDEA StatiCa V21. Более подробно это описано в этой статье, где приводится расчёт согласно EN 1993-1-9.

Нужный режим расчёта находится на верхней ленте среди 4 остальных режимов. 

Тип расчёта Усталость используется для определения диапазона нормальных и касательных напряжений между двумя загружениями (расчётами). Напряжения соответствуют номинальным и в дальнейшем должны использоваться для оценки с использованием нормативных методик. Предполагается, что оценка выполняется для случаев многоцикловой усталости, когда в конструкции не возникает пластики. 

Режим расчёта Усталость не даёт окончательных результатов по прочности в виде предельного количества циклов нагрузки, которое может воспринять конструкция. Он просто даёт исходные данные для дальнейших проверок по нормам.

Номинальные напряжения могут быть вычислены для:

  • Болтов – при растяжении и сдвиге;
  • Сварных швов – сечения автоматически создаются в пластинах вблизи сварных швов;
  • Пластин – в сечениях, заданных пользователем.

Номинальные напряжения определяются вычитанием напряжений, вычисленных для опорного загружения, из другого загружения.  

Более подробную информацию об этом типе расчёта можно найти в статьях нашего Центра поддержки:

Теоретические основы: Тип расчёта "Усталость"

Расчёт на усталость – сварной стык двутавров с полным проваром

Данный режим расчёта доступен всем пользователям: и конфигурации Expert, и конфигурации Enhanced.


Оставьте свой отзыв. Статья была полезной?