Оценка прочности материала с помощью деформируемых дисков с изменяемым видом напряженного состояния

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.

1. Махутов 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.

2. 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: 10.26896/1028-6861-2018-84-9-55-63

3. Цвик 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.

4. 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.2024.10.002

5. Савкин 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.

6. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчеты на прочность деталей машин: Справочник. — М.: Машиностроение, 1993. — 640 с.

7. 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: 10.18698/0536-1044-2018-8-11-18

8. Лобыцин 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).119-126

9. Цвик 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.

10. Бельский А. О. Анализ конструкции литой и сварной боковых рам трехэлементных тележек грузовых вагонов / Известия Транссиба. 2013. № 2. С. 6 – 11.

11. 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.

12. 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.

13. Серенсен С. В. Квазистатическое и усталостное разрушение материалов и элементов конструкций. Т. 3. — Киев: Наукова думка, 1985. — 232 с.

14. Махутов Н. А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. Критерии прочности и ресурса. — Новосибирск: Наука, 2005. — 494 с.

15. Порошин В. Б. Конструкционная прочность: учебник. — Челябинск: ЮУрГУ, 2019. — 335 с.

16. 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.

17. Когаев В. П., Махутов Н. А., Гусенков А. П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: справочник. — М.: Машиностроение, 1985. — 224 с.

18. Колмогоров В. Л. Пластичность и разрушение. — М.: Металлургия, 1977. — 336 с.

19. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. — М.: Машиностроение, 1977. — 232 с.

20. Лебедев А. А., Ламашевский В. П. Влияние вида напряженного состояния на деформирование и прочность теплостойких сталей / Научные заметки. 2011. № 32. С. 210 – 218.

21. 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.2019.11.40

22. Писаренко Г. С., Лебедев А. А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. — Киев: Наукова думка, 1976. — 416 с.

23. Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению материалов. — Киев: Наукова думка, 1988. — 736 с.

24. Смирнов-Аляев Г. А., Чикидовский В. П. Экспериментальное исследование в обработке металлов давлением. — М. – Л.: Машиностроение, 1972. — 324 с.

25. Александров А. В. Сопротивление материалов. — М.: Высшая школа, 2003. — 560 с.

26. Лебедев А. А. Развитие теорий прочности в механике материалов / Проблемы прочности. 2010. № 5. С. 127 – 146.

27. 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/2015.4.07

28. Пат. 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.

29. Жилкин В. А. Азбука инженерных расчетов в MSC Patran-Nastran-Marc. — СПб.: Проспект науки, 2024. — 576 с.