Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение надежности и долговечности систем, работающих в сложных эксплуатационных условиях, неизбежно связывается с корректной оценкой прочности деталей и несущих конструкций. Наиболее существенным при этом оказывается выявление и исследование зон концентрации напряжений, прогноз их влияния на прочность элементов конструкций. Особенно актуальным этот вопрос становится в случае применения хрупких материалов.
Однако, даже в настоящее время, когда методики прочностных расчетов достигли высокого уровня, нельзя сказать, что данный вопрос закрыт полностью. И это, в первую очередь, относится к тем случаям, когда теоретические решения механики твердого деформируемого тела выявляют концентраторы с бесконечно большими напряжениями. Понятно, что если исходить из классических представлений сопротивления материалов, детали с такими концентраторами должны разрушаться при любой малой, но конечной нагрузке. Практически этого не происходит.
Возникающее таким образом противоречие к настоящему времени сравнительно успешно удалось снять для одного типа концентраторов, приводящим к особенности в напряжениях, трещин-разрезов. И современная механика разрушения, если не полностью, то в значительной степени сводится к механике трещин. Теоретическим основателем последней следует считать Гриффитса, а главным практическим ее звеном является коэффициент интенсивности напряжений, позволяющий прогнозировать прочность деталей с трещинами.
Однако проблема прогнозирования прочности элементов конструкций с особенностью в напряжениях не замыкается на объектах с трещинами. Существует огромное множество концентраторов напряжений
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПетербстг , _ О» lwtoYJ
других типов, также инициирующих теоретически бесконечные напряжения. В таких случаях методика расчетов, основанная на понятии коэффициента интенсивности напряжений, может оказаться некорректной или неприемлемой вообще
Наиболее яркие тому примеры дают контактные задачи, в которых особенности возникают в поле сжимающих напряжений. Ситуация усугубляется, когда особенность оказывается объемной, все три главных сжимающих напряжения теоретически возрастают бесконечно. Достаточно обоснованные решения о прочности систем такого вида в литературе по механике твердого деформируемого тела не известны.
Следовательно вопрос дальнейшей разработки и совершенствования методов прочностных расчетов элементов конструкций с особенностями в напряжениях до сих пор остается исключительно актуальным.
Целью работы является разработка физико-механически обоснованного подхода к прогнозированию прочности элементов конструкций из хрупких материалов с объемными особенностями, "работающими" при действии напряжений любого знака.
Метод исследования: экспериментально-теоретический; основой которого являются точные аналитические решения пространственных задач теории упругости, систематическое применение понятия концентрации элементарных внутренних усилий, приходящихся на структурную ячейку материала, в сочетании с классическими теориями прочности сопротивления материалов.
Научная новизна состоит в следующем. 1. Получены новые результаты в рамках аналитического решения классической задачи об осесимметричной деформации системы "штамп -полупространство".
-
Теоретически смоделирована трехмерная особенность в напряжениях сжатия, для которых получены обозримые, замкнутые аналитические выражения.
-
На базе нового понятия - коэффициента концентрации элементарных усилий, приходящихся на структурную ячейку материала, в сочетании с классическими критериями прочности предложен подход к прогнозу прочности систем с объемными особенностями в напряжениях.
-
Выполнены экспериментально - теоретические исследования моделей с трехмерными особенностями.
Практическая ценность работы заключается в следующем.
1. Разработан подход к оценке прочности элементов конструкций с
трехмерными особенностями в напряжениях любого знака.
2. Экспериментально исследованы прочностные характеристики,,
системы "штамп - упругое полупространство", моделирующей поведение
деформируемого объекта с трехмерными особенностями в напряжениях.
-
Обоснованы и. проверены, экспериментально масштабно прочностные эффекты в деформируемых трехмерных системах.
-
Намечен сравнительно простой опытно - феноменологический подход к определению значения нового физико-механического параметра, размера структурной ячейки материала.
Достоверность результатов. представленных в диссертации, определяется:
привлечением в рамках теоретического анализа точных аналитических решений задач механики твердого деформируемого тела;
простым физико-механическим обоснованием предлагаемых подходов к оценке прочности деталей из хрупких материалов;
- естественной корреляцией, разработанных подходов с хорошо
известными классическими теориями- прочности сопротивления
материалов.
На защиту выносятся:
классификация аналитических решений - задач теории упругости, выявляющих особенности в напряженном состоянии деформируемых тел;
новый вариант аналитического решения осесимметричной задачи теории упругости для системы "штамп - полупространство";
подход к оценке прочности деталей из хрупких материалов с объемными особенностями в напряженияхлюбого знака;
трактовка масштабного эффекта, наблюдаемого при испытании на прочность моделей из хрупкого материала;
результаты экспериментальных исследований грузоподъемности модели "штамп - полупространство".
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Прочность материалов и конструкций" ПГУПС; на пятьдесят пятой, пятьдесят седьмой г и шестьдесят второй научно-технических конференциях с участием студентов, молодых специалистов и ученых ПГУПС, Санкт Петербург 1995 г., 1997 г. и 2002 г.; на пятидесятой международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов ПГАСУ, Санкт Петербург 1996 г. и на пятой международной научной конференции ЧТУ, Череповец 2002 г.
По материалам диссертации опубликовано восемь работ.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников; содержит 102 страницы текста, включая 19 рисунков и 9
таблиц. Библиография содержит 143 наименования, из них 16 на иностранных языках.
