Устойчивость сжатых стержней в зависимости от структуры и физико-механических свойств конструкционных материалов Черепенников Алексей Владимирович

Введение к работе

з

Актуальность темы диссертации. Дальнейшее развитие техники, повышение напряженности деталей машин и элементов конструкций выдвигают новые, повышенные требования к физико-механическим свойствам конструкционных материалов, формирование которых связано с особенностями структуры, и обуславливают необходимость разработки методов расчета с учетом реальных свойств

Ікшьшинство материалов, которые применяются в современной технике в изготовлении элементов конструкций, всевозможных устройств и приспособлений, работают в широком диапазоне нагрузок, деформаций, скоростей и учетом различных факторов рабочих сред В связи с этим комплекс требований, предъявляемый к современным материалам, весьма разнообразен Используемые в ряде областей конструкционные материалы должны обладать не только заданной прочностью в сложных условиях эксплуатации, но и обеспечивать надежность работы изделий Между тем, условия нагружешм при эксплуатации могут быть очень сложными Эго связанно с особенностями закрепления, характером изменения нагрузки при реальном нагруже-нии, а также, с размерами элементов, которые воспринимают нагрузку При этом элемент конструкции должен удовлетворять условиям прочности, жесткости и устойчивости

Прогнозироваше прочности и разрушения материалов и конструкцію приводит к необходимости исследовать закономерности взаимосвязи процессов деформирования и разрушеїшя, происходящих в материалах Исследования процессов деформирования и разрушения вьтолняются при экспериментальных испытаниях образцов и элементов конструкций

Настоящая работа посвящена исследованию устойчивости сжатых стержней в зависимости от физико-механических свойств конструкционных материалов с учетом различных факторов

Исследование причин разрушения различных сооружений показало, что для надежной работы конструкции под нагрузкой недостаточно сделать ее элементы прочными, необходимо еще обеспечить сохранеіше первоначальной формы равновесия, как самих элементов, так и всей конструкции в целом Поэтому исследование устойчивости является важной задачей, которая находит отражение в работах многих ученых

Применительно к реальным инженерным конструкциям, их равновесие будет устойчивым, если незначительные отклонения от расчетной схемы, малые дефекты И

несовершенства вызывают столь же малые отклонения в поведении конструкции Устойчивость конструкции, наряду с прочностью и жесткостью, определяет ее работоспособность и долговечность

Используемая в настоящее время зависимость критического напряжения а^ от гибкости я, приводимая в курсах сопротивления материалов определяет, при какой критической нагрузке стержень не будет удовлетворять условиям устойчивости в зависимости от гибкости Условно рассматриваются стержіш малой гибкости, когда за критическое напряжение принимается предел текучести, стержни средней гибкости, когда критическое напряжение определяется по формуле Ясинского, и стержни большой гибкости, когда справедлива формула Эйлера. Необходимо отметить, что для всех диаграмм зависимости критического напряжения а_кр от гибкости Я, значения предела пропорциональности и физического предела текучести для сталей, показаны существенно отличающимися друг от друга

В настоящее время вопросам устойчивости уделяется большое внимание В сборнике «Современные проблемы прочности, пластичности и устойчивости», посвященном 75-летию со дня рождения профессора В Г Зубчаншюва и в трудах Всесоюзных, Всероссийских, Международных конференций по проблеме шастичности и устойчивости в механике деформируемого твердого тела, проводимых Тверским государственным техническим университетом, представлены работы ведущих ученых России по различным областям механики прочности и разрушения, устойчивости Необходимо отметить, что исследование устойчивости сжатых стержней и установление действительного вида зависимости критического напряжения а_кр от габкости X для широкого круга конструкционных материалов в зависимости от структуры и физико-механических свойств является актуальной задачей

Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы является исследование устойчивости сжатых стержней, установление действительного вида зависимости критического напряжения о- от габкости Л на основе разработки экспериментальных установок, измерительных приборов и применения методов исследования физико-механических свойств конструкционных металлов в зависимости от структуры

Цель работы определи ча и основные задачи:

1) разработка и создание экспериментальной установки и методики испытания на устойчивость металлических образцов с целью экспериментального определения значения критической силы,

1. разработка и создание тензометров для измерения деформаций в упругой области и упруго-пластической области при малых пластических деформациях,

2. исследование механизма деформации металлических образцов на площадке текучести с помощью разработки и применения различных методов,

3. исследование зависимостей фшико-механических свойств от структуры металла при различных испытаниях,

4. установление зависимостей критического напряжения от гибкости для различных марок сталей и других материалов с различными физико-механическими свойствами

Решение этих задач позволяет всесторонне исследовать механизм деформации стальных образцов в начальной стадии пластической деформации и установить зависимость физико-механических свойств от структуры металла, на основе чего получить новый вид зависимости критического напряжения от гибкости, который используется при выполнении расчетов элементов конструкций на устойчивость

Научная новизна В диссертациошюй работе разработана экспериментальная установка для испытания на устойчивость металлических образцов, позволяющая проводить испытания с наиболее типичными случаями закрепления концов стержня, различного поперечного сечения, которая защищена патентом РФ Разработаны тензометры для измерения деформаций повышенной точности с ксоффициеіггом увеличения до К = 5000

Разработаны методы исследования мшфомехштизма деформации стальных образцов на площадке текучести Установлено равенство значений предела пропорциональности а_пц, предела упругости а_у„ и физического предела текучести а _т

Получены зависимости физико-механических свойств от структуры стали, на основе исследования микронеоднородной деформации с применением метода измерения деформаций на малой базе Показано, что наиболее выгодна такая структурная композиция, когда при наибольших прочностных свойствах микрообъемов обеспечиваются наилучшие условия их совместной деформации Получены зависігмости критического напряжения от гибкости для стали с различной структурой, как в области значений малой гибкости, так и в области, когда справедлива формула Эйлера.

Получены графики зависимости критического напряжения а от гибкости Я

для различных марок сталей, материал которых деформируется с образованием площадки текучести Получены зависимости критического напряжения а_к от гибкости

Я для металлов, деформирующихся без образования площадки текучести

6 На основании всестороннего исследования устойчивости сжатых стержней получен новый вид зависимости критического напряжения а от гибкости Я, состоящий из двух частей

Достоверность. Достоверность основных полученных результатов подтверждается проведенным анализом оценки точности примененных методов исследования

Практическая и научная ценность Полученные результаты имеют большое значсіше для разработки теоретических вопросов по разделу «Устойчивость сжатьк стержней», а также для развития методов экспериментирования и использования на практике

Научная значимость заключается в получении действительного вида зависимости критического напряжения от гибкости, на основе разработки методов исследования физико-механических свойств в зависимости от структуры при различных видах испытаний

Большое практическое значение имеют разработанные экспериментальные установки и измерительные приборы Полученное равенство значений предела пропорциональности о_т, предела упругости а_>п и физического предела текучести а_т имеет большое значение для использования в расчетах на устойчшость при построении зависимости критического напряжения от гибкости

Разработанные методы исследования физико-механических свойств, а также полученная новая зависимость критического напряжения от гибкости, могут быть использованы при разработке методов расчета на устойчивость с учетом реальных свойств конструкционных материалов

Результаты работы используются в курсе лекций по сопротивлению материалов и строительной механике, при проведении практических занятий и лабораторных работ

Апробация работы. Основные положения обсуждались на VI международном научном симпозиуме «Современные проблемы пластичности и устойчивости в механике деформируемого твердого тела» (Тверь, 2006 г), XI региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области «Архитектура, градостроительство и экологические проблемы» (Волгоград, 2006 г), Ш международной научно-технической конференции «Наука, техника и технология XXI века» (Нальчик, 2007 г), ХП региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области «Архитектура, фадостроительство и экологические проблемы» (Волгоград, 2007 г),

XXVIII Российски"! школе по проблемам науки и технологий по направлению «Итоги диссертационных исследований» и «Неоднородные материалы и конструкции» (Миасс, 2008 г), научных конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2006, 2007, 2008 г г), научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (2006,2007,2008 г г)

Публикации Основное содержание проведенных исследований, опубликовано в девяти печатных работах

На защиту выносятся*

1. Разработка экспериментальной установки для испытания на устойчивость металлических образцов и теїгзометров для измерения деформаций в упругой области Результаты всесторонних исследований физико-механических свойств конструкционных сталей

2. Установление равенства значений предела пропорциональности а_щ, предела >тгругости а _п и физического предела текучести а_т, на основе разработки и применения большого числа различных методов исследования деформации стальных образцов на площадке текучести

3. Обоснование наиботее выгодной структурной композиции на основе результатов исследования мшфонеоднородности деформации и формирования физико-механических свойств стали в зависимости от структуры при испытаниях на растяжение-сжатие, ударных испытаниях на изгиб надрезанных образцов и устойчивость Результаты исследование влияния структуры и геометрических размеров образцов в опытах на сжатие и устойчивость

4. Исследование устойчивости сжатых стержней из металлов, деформирующихся с образованием и без образования площадки текучести

5 Получение и обоснование действительного вида зависимости критического
напряжения от гибкости

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения Содержание работы изложено на 117 страницах машинописного текста, рисунков - 43, таблиц - 8, сгшсок литературньк источников включает 130 наименование.

Похожие диссертации на Устойчивость сжатых стержней в зависимости от структуры и физико-механических свойств конструкционных материалов

Устойчивость сжатых стержней в зависимости от повышения физико-механических свойств упрочненных конструкционных материаловКлименко, Владимир Иванович

Устойчивость сжатых неоднородных стержней с учётом физической нелинейности материалаКлименко, Екатерина Сергеевна

Разработка методов оценки циклических и статических свойств металлических материалов с учетом особенностей технологических построечных операций и возможных режимов эксплуатации корпусов подводных объектовНигматулин Владимир Игоревич

Изгиб пластин, выполненных из материалов с усложненными свойствамиСазонов Александр Петрович

Напряженно-деформированное состояние и устойчивость ребристых пологих оболочек с учетом ползучести материалаКудрявцев Василий Константинович

Численный анализ деформирования и устойчивости пластин и пологих оболочек с учетом больших перемещений и нелинейной работы материалаИванов, Сергей Александрович

Устойчивость стержней при ползучести с учетом начальных несовершенствЯзыев, Сердар Батырович

Деформационный расчет и устойчивость тонкостенных призматических стержней произвольного профиля сжатых с двухосным эксцентриситетомБелый Александр Григорьевич

Устойчивость продольно-сжатых стержней переменной жесткости при ползучестиКулинич, Иван Игоревич

Расчет конструктивных элементов, взаимодействующих с грунтовым основанием в условиях наведенной неоднородности его физико-механических свойствНикишов Сергей Иванович