zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2025-91-9-57-64zldm-2593Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSОценка прочности материала с помощью деформируемых дисков с изменяемым видом напряженного состоянияAssessment of the strength of a material using deformable discs with a variable type of stress stateМаломыжевД. О.MalomyzhevD. O.

Дмитрий Олегович Маломыжев

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15

Dmitriy O. Malomyzhev

15, ul. Chernyshevskogo, Irkutsk

Malomyjev_DO@irgups.ruМаломыжевО. Л.MalomyzhevO. L.

Олег Львович Маломыжев

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15

Oleg L. Malomyzhev

15, ul. Chernyshevskogo, Irkutsk

ЦвикЛ. Б.TsvickL. B.

Лев Беркович Цвик

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83

Lev B. Tsvick

83, ul. Lermontova, Irkutsk, 664074

ЗеньковЕ. В.ZenkovE. V.

Евгений Вячеславович Зеньков

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83

Evgeniy V. Zenkov

15, ul. Chernyshevskogo, Irkutsk, 664074

83, ul. Lermontova, Irkutsk, 664074

Иркутский государственный университет путей сообщенияРоссияIrkutsk State Transport UniversityRussian FederationИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian FederationИркутский государственный университет путей сообщения ; Иркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk State Transport University ; Irkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation2025250920259195764Copyright © Маломыжев Д.О., Маломыжев О.Л., Цвик Л.Б., Зеньков Е.В., 20252025Маломыжев Д.О., Маломыжев О.Л., Цвик Л.Б., Зеньков Е.В.Malomyzhev D.O., Malomyzhev O.L., Tsvick L.B., Zenkov E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2593

Рассмотрена методика оценки прочности материала, находящегося в сложном напряженно-деформированном состоянии (НДС). Исследования проведены на образцах материала, имеющих форму дисков, с концентраторами напряжений. НДС моделировали с помощью метода конечных элементов с учетом нелинейного характера рассматриваемых процессов. Достоверность результатов численного моделирования оценивали на последовательности КЭ-приближений. Экспериментальное разрушение образцов осуществляли на типовой машине Instron 5989. Полученные данные подтвердили возможность создания в испытываемых образцах заданного уровня соотношения главных напряжений, возникающих в условиях двухосного растяжения. На примере образов из стали 45 показана возможность использования метода как для оценки конструкционной прочности материалов, так и для локальной аппроксимации его предельной поверхности. В качестве теоретической основы локальной аппроксимации поверхности использовали модифицированный вариант критерия Писаренко – Лебедева. Показано, что предлагаемые дисковые образцы имеют относительно простую форму и для них характерна высокая изменяемость вида напряженного состояния. Это обстоятельство позволяет оценить конструкционную прочность материалов на стадии его лабораторных исследований.

The paper considers a technique for assessing the strength of a material in a complex stress-strain state. For this purpose, the strength of disk-shaped material samples with stress concentrators is being investigated. Stress-strain state modeling was implemented in this work using the finite element method, taking into account the nonlinear nature of the processes under consideration. The reliability of the obtained numerical simulation results was evaluated on the basis of a sequence of FE approximations. The experimental destruction of the proposed samples was carried out on a typical Instron 5989 machine and confirmed the possibility of creating in the tested samples a given level of the ratio of the main stresses arising under biaxial tension conditions. Using the example of steel 45, it is shown that the use of the samples under consideration makes it possible both to evaluate the structural strength of materials and to carry out a local approximation of the corresponding marginal surface. A modified version of the Pisarenko – Lebedev criterion was used as the theoretical basis for its local approximation. It is shown that the proposed disk samples have a relatively simple shape and have a high variability in the type of stress state. This circumstance allows us to transfer the assessment of the structural strength of materials to the stage of its laboratory studies.

элементы конструкцийлабораторные образцыконструкционная прочностьметод конечных элементовнапряженно-деформированное состояниевид напряженно-деформированного состояниядвухосное растяжениекритерий прочности Писаренко – Лебедеваобразцы дискового типаstructural elementslaboratory samplesstructural strengthfinite element methodstress-strain statetype of stress-strain statebiaxial tensionPisarenko – Lebedev strength criteriondisk-type samplesReferencesМахутов Н. А., Макаренко И. В., Макаренко Л. В. Расчетно-экспериментальный анализ напряженно-деформированного состояния для наклонных полуэллиптических поверхностных трещин / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. № 3. С. 49 – 53.Makhutov N. A., Makarenko I. V., Makarenko L. V. Computational and experimental analysis of the stress-strain state for inclined semi-elliptical surface cracks / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2016. Vol. 82. No. 3. P. 49 – 53 [in Russian].Анискович Е. В., Лепихин А. М., Москвичев В. В. Оценка статической трещиностойкости тонкостенных сосудов, работающих под давлением / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 9. С. 55 – 63. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-9-55-63Aniskovich E. V., Lepikhin A. M., Moskvichev V. V. Assessment of static crack resistance of thin-walled pressure vessels / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2018. Vol. 84. No. 9. P. 55 – 63 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-9-55-63Цвик Л. Б. Образец для механических испытаний конструкционных сталей в условиях циклического нагружения / Труды межд. конф. Транспортная инфраструктура Сибирского региона. 2017. Т. 2. С. 834 – 839.Tsvik L. B. A sample for mechanical testing of structural steels under cyclic loading conditions / Proc. of the Int. Conf. Transport infrastructure of the Siberian region. 2017. Vol. 2. P. 834 – 839 [in Russian].Tsvik L. B., Zenkov E. V., Elovenko D. A., Malomigev D. O. Deformation of laboratory truncated disc samples with stress concentrators / Engineering Solid Mechanics. 2025. Vol. 13. P. 15 – 26. DOI: 10.5267/j.esm.2024.10.002Tsvik L. B., Zenkov E. V., Elovenko D. A., Malomigev D. O. Deformation of laboratory truncated disc samples with stress concentrators / Engineering Solid Mechanics. 2025. Vol. 13. P. 15 – 26. DOI: 10.5267/j.esm.2024.10.002Савкин А. Н., Горобцов А. С., Андроник А. В., Седов А. А. Прогнозирование усталостного ресурса конструктивных элементов автомобиля при случайном нагружении / Современное машиностроение. Наука и образование. 2012. № 2. С. 651 – 660.Savkin A. N., Gorobtsov A. S., Andronik A. V., Sedov A. A. Forecasting the durability of car structural elements under accidental loading / Sovr. Mashinostr. Nauka Obraz. 2012. No. 2. P. 651 – 660 [in Russian].Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчеты на прочность деталей машин: Справочник. — М.: Машиностроение, 1993. — 640 с.Birger I. A., Shorr B. F., Iosilevich G. B. Strength calculations of machine parts: Handbook — Moscow: Mashinostroenie, 1993. — 640 p. [in Russian].Каратушин С. И., Храмова Д. А., Бокучава П. Н. Моделирование напряженно-деформированного состояния болтовых соединений в среде ANSYS / Изв. вузов. Машиностроение. 2018. № 8. С. 11 – 18. DOI: 10.18698/0536-1044-2018-8-11-18Karatushin S. I., Khramova D. A., Bokuchava P. N. Modeling of the stress-strain state of bolt joints in the ANSYS environment / Izv. Vuzov. Mashinostr. 2018. No. 8. P. 11 – 18 [in Russian]. DOI: 10.18698/0536-1044-2018-8-11-18Лобыцин И. О., Дульский Е. Ю., Милованова Е. А., Пыхалов А. А. Оценка напряженно-деформированного состояния кожухов зубчатой передачи электровоза серии «Ермак» / Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2019. Т. 63. № 3. С. 119 – 126. DOI: 10.26731/1813-9108.2019.3(63).119-126Lobytsin I. O., Dulskiy E. Yu., Milovanova E. A., Pykhalov A. A. Evaluation of the stress-strain state of gear transmission casings of the Ermak series electric locomotive / Modern Technol. Syst. Anal. Modeling. 2019. Vol. 63. No. 3. P. 119 – 126 [in Russian]. DOI: 10.26731/1813-9108.2019.3(63).119-126Цвик Л. Б., Запольский Д. В., Зеньков Е. В., Еремеев В. К. Сравнительный анализ деформирования дисковой части цельнокатаных железнодорожных колес различного конструктивного оформления / Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2013. № 5. С. 29 – 36.Tsvik L. B., Zapolsky D. V., Zenkov E. V., Eremeev V. K. Comparative analysis of deformation of the disc part of solid-tank railway wheels of various structural designs / Russ. Railway Sci. J. 2013. No. 5. P. 29 – 36 [in Russian].Бельский А. О. Анализ конструкции литой и сварной боковых рам трехэлементных тележек грузовых вагонов / Известия Транссиба. 2013. № 2. С. 6 – 11.Belsky A. O. Design analysis of cast and welded side frames of three-element racks of freight wagons / Izv. Transsiba. 2013. No. 2. P. 6 – 11 [in Russian].Цвик Л. Б., Шапова М. В., Храменок М. А. Напряженное состояние и усталостная прочность осесимметричных патрубковых зон сосудов высокого давления / Вестник машиностроения. 2010. № 2. С. 18 – 24.Tsvik L. B., Shapova M. V., Khramenok M. A. Stress state and fatigue strength of axisymmetric pipe zones of high-pressure vessels / Vestn. Mashinostr. 2010. No. 2. P. 18 – 24 [in Russian].Цвик Л. Б., Храменок М. А, Шапова М. В. Исследование уровня и жесткости напряженного состояния патрубковых зон выпуклых днищ сосудов при их деформировании внутренним давлением / Тяжелое машиностроение. 2009. № 4. С. 24 – 26.Tsvik L. B., Khramenok M. A., Shapova M. V. Investigation of the level and rigidity of the stress state of the branch pipe zones of convex bottoms of vessels during their deformation by internal pressure / Tyazh. Mashinostr. 2009. No. 4. P. 24 – 26 [in Russian].Серенсен С. В. Квазистатическое и усталостное разрушение материалов и элементов конструкций. Т. 3. — Киев: Наукова думка, 1985. — 232 с.Serensen S. V. Quasi-static and permanent destruction of materials and structural elements. Vol. 3. — Kiev: Naukova dumka, 1985. — 232 p. [in Russian].Махутов Н. А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. Критерии прочности и ресурса. — Новосибирск: Наука, 2005. — 494 с.Makhutov N. A. Structural strength, resource and technogenic safety. Criteria of strength and resource. — Novosibirsk: Nauka, 2005. — 494 p. [in Russian].Порошин В. Б. Конструкционная прочность: учебник. — Челябинск: ЮУрГУ, 2019. — 335 с.Poroshin V. B. Structural strength: textbook. — Chelyabinsk: YuUrGU, 2019. — 335 p. [in Russian].Цвик Л. Б., Храменок М. А, Шапова М. В. О влиянии параметров укрепления отверстий патрубковых зон сосудов давления на вид их напряженного состояния / Изв. вузов. Машиностроение. 2008. № 1. С. 18 – 24.Tsvik L. B., Khramenok M. A., Shapova M. V. On the influence of the parameters of strengthening the openings of the branch pipe zones of pressure vessels on the type of their stress state / Izv. Vuzov. Mashinostr. 2008. No. 1. P. 18 – 24 [in Russian].Когаев В. П., Махутов Н. А., Гусенков А. П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: справочник. — М.: Машиностроение, 1985. — 224 с.Kogaev V. P., Makhutov N. A., Gusenkov A. P. Calculations of machine parts and structures for strength and durability: Handbook. — Moscow: Mashinostroenie, 1985. — 224 p. [in Russian].Колмогоров В. Л. Пластичность и разрушение. — М.: Металлургия, 1977. — 336 с.Kolmogorov V. L. Plasticity and destruction. — Moscow: Metallurgiya, 1977. — 336 p. [in Russian].Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. — М.: Машиностроение, 1977. — 232 с.Kogaev V. P. Calculations for strength under stresses of variables over time. — Moscow: Mashinostroenie, 1977. — 232 p. [in Russian].Лебедев А. А., Ламашевский В. П. Влияние вида напряженного состояния на деформирование и прочность теплостойких сталей / Научные заметки. 2011. № 32. С. 210 – 218.Lebedev A. A., Lamashevsky V. P. The influence of the type of stress state on the deformation and strength of heat-resistant steels / Nauch. Zametki. 2011. No. 32. P. 210 – 218 [in Russian].Зорин Е. Е., Ефимов В. М., Зорин Н. Е. Влияние сложного напряженно-деформированного состояния на механические характеристики металла трубопроводов / Естественные и технические науки. 2019. № 11. С. 288 – 292. DOI: 10.25633/etn.2019.11.40Zorin E. E., Efimov V. M., Zorin N. E. The influence of a complex stress-strain state on the mechanical characteristics of metal pipelines / Estestv. Tekhn. Nauki. 2019. No. 11. P. 288 – 292 [in Russian]. DOI: 10.25633/etn.2019.11.40Писаренко Г. С., Лебедев А. А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. — Киев: Наукова думка, 1976. — 416 с.Pisarenko G. S., Lebedev A. A. Deformation and strength of materials under complex stress. — Kiev: Naukova Dumka, 1976. — 416 p. [in Russian].Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению материалов. — Киев: Наукова думка, 1988. — 736 с.Pisarenko G. S., Yakovlev A. P., Matveev V. V. Handbook of material resistance. — Kiev: Naukova Dumka, 1988. — 736 p. [in Russian].Смирнов-Аляев Г. А., Чикидовский В. П. Экспериментальное исследование в обработке металлов давлением. — М. – Л.: Машиностроение, 1972. — 324 с.Smirnov-Alyaev G. A., Chikidovsky V. P. Experimental research in metal processing by pressure. — Moscow – Leningrad: Mashinostroenie, 1972. — 324 p. [in Russian].Александров А. В. Сопротивление материалов. — М.: Высшая школа, 2003. — 560 с.Alexandrov A. V. Resistance of materials. — Moscow: Vysshaya shkola, 2003. — 560 p. [in Russian].Лебедев А. А. Развитие теорий прочности в механике материалов / Проблемы прочности. 2010. № 5. С. 127 – 146.Lebedev A. A. The development of strength theories in the mechanics of materials / Probl. Prochn. 2010. No. 5. P. 127 – 146 [in Russian].Зеньков Е. В., Цвик Л. Б. Формирование разнонаправленных испытательных усилий и экспериментальная оценка прочности материала в условиях двухосного растяжения / Вестник ПНИПУ. Механика. 2015. № 4. С. 110 – 120. DOI: 10.15593/perm.mech/2015.4.07Zenkov E. V., Tsvik L. B. Formation of multidirectional test forces and experimental assessment of material strength under biaxial tensile conditions / Vestn. PNIPU. Mekhanika. 2015. No. 4. P. 110 – 120 [in Russian]. DOI: 10.15593/perm.mech/2015.4.07Пат. 2839724 Российская Федерация, МПК G 01 N 1/28, G 01 N 3/02, G 01 N 3/08. Образец для испытания конструкционной прочности материала / Маломыжев Д. О., Маломыжев О. Л., Цвик Л. Б.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО ИрГУПС. — № 2024115056; заявл. 12.05.25. Бюл. № 14.RF Pat. No. 2839724, IPC G 01 N 1/28, G 01 N 3/02, G 01 N 3/08. A sample for testing the structural strength of a material / Malomyzhev D. O., Malomyzhev O. L., Tsvik L. B.; applicant and patent holder of the FSBEI HE IrGUPS. — No. 2024115056; announced on 12.05.25. Byull. No. 14 [in Russian].Жилкин В. А. Азбука инженерных расчетов в MSC Patran-Nastran-Marc. — СПб.: Проспект науки, 2024. — 576 с.Zhilkin V. A. ABC of engineering calculations in MSC Patran-Nastran-Marc. — St. Petersburg: Prospekt nauki, 2024. — 576 p. [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.