Zmęczenie materiału stali spowodowane obciążeniem cyklicznym
Kilka faktów o zmęczeniu materiału
- Pierwszy artykuł opublikowany na temat zmęczenia materiału pochodzi z 1837 roku
- Zmęczenie materiału powoduje nieodwracalne uszkodzenia; materiał nie może się zregenerować
- Stal ma teoretyczną granicę zmęczenia; ciągłe obciążenie poniżej tej granicy nie prowadzi do zniszczenia wskutek zmęczenia materiału
- Naprężenia rozciągające są główną przyczyną zmęczenia materiału, jednak nawet obciążenia ściskające mogą być jego powodem
- Większy zakres naprężeń prowadzi do skrócenia trwałości konstrukcji
- Temperatura, chropowatość powierzchni, naprężenia własne i inne czynniki wpływają na trwałość zmęczeniową
Etapy zmęczenia materiału
Ogólnie wyróżnia się trzy etapy:
- Etap pierwszy – Inicjacja pęknięcia
Mikropęknięcia zaczynają tworzyć się wokół geometrycznych koncentratorów naprężeń, takich jak krawędzie. Gdy szerokość pęknięcia przekracza 10 μm, można mówić o pęknięciu.
- Etap drugi – Wzrost pęknięć
Wzrost pęknięcia zależy od zakresu obciążenia cyklicznego, naprężenia średniego, a także od przeciążeń i niedociążeń. Wzrost pęknięcia może nawet ustać, jeśli obciążenia są mniejsze od określonej wartości progowej.
- Etap trzeci – Propagacja pęknięcia
Propagacja pęknięć następuje, gdy mikropęknięcia i związane z nimi naprężenia osiągają określoną wielkość. Gdy naprężenie przekracza wartość zwaną odpornością na pękanie (ilościowy sposób wyrażenia odporności materiału na kruche pękanie w obecności pęknięcia), dochodzi do nieodwracalnego zniszczenia.
Jak zapobiegać zmęczeniu materiału
Zmęczeniu materiału można zapobiec lub je ograniczyć dzięki właściwym rozwiązaniom inżynierskim. W przypadku konstrukcji stalowych istnieją dwa główne sposoby zapobiegania zniszczeniu zmęczeniowemu.
1. Utrzymanie naprężeń poniżej progu granicy zmęczenia (koncepcja nieskończonej trwałości)
Trwałość zmęczeniowa Nf to liczba cykli naprężeń o określonym charakterze, którą konstrukcja wytrzymuje przed zniszczeniem. Dla stali istnieje teoretyczna wartość amplitudy naprężeń, poniżej której materiał nie ulegnie zniszczeniu przy dowolnej liczbie cykli. Wartość ta nazywana jest granicą zmęczenia lub granicą wytrzymałości zmęczeniowej.
Autor: AndrewDressel, angielska Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6319461
2. Przeprowadzenie komputerowej analizy zmęczeniowej projektowanych konstrukcji
Analiza komputerowa może ujawnić obszary, w których zmęczenie materiału stanowi problem. Może pomóc w przeprojektowaniu konstrukcji, na przykład poprzez skupienie naprężeń w korzystnych miejscach, zmianę wymiarów i położenia otworów itp.
Nasze rozwiązanie
Pierwszy krok tego rozbudowanego zadania został wykonany w IDEA StatiCa V21. Sprawdź ten artykuł, w którym opisano analizę zgodnie z EN 1993-1-9.
Analizę można znaleźć obok innych typów analiz poniżej górnej wstążki.
Typ analizy zmęczeniowej służy do wyznaczenia zakresu naprężeń normalnych i stycznych między dwoma przypadkami obciążeń. Naprężenia odpowiadają naprężeniom nominalnym i muszą być dalej oceniane przy użyciu normowych metod obliczeniowych. Zakłada się, że analiza ta jest stosowana do projektowania detali zmęczenia wysokocyklowego, w których nie oczekuje się plastyfikacji.
Typ analizy zmęczeniowej nie dostarcza żadnej końcowej nośności ani liczby cykli, którą detal może wytrzymać. Dostarcza jedynie danych wejściowych do dalszych obliczeń zgodnie z normami.
Naprężenie nominalne można obliczyć dla:
- Śrub – na rozciąganie i ścinanie
- Spoin – generowanych automatycznie w przekroju płyty przy spoinie
- Blach – w przekrojach zdefiniowanych przez użytkownika
Naprężenie nominalne wyznaczane jest przez odjęcie naprężeń referencyjnego przypadku obciążenia od naprężeń innego przypadku obciążenia.
Aby zapoznać się bliżej z tym typem analizy, odwiedź nasze Centrum Wsparcia:
Podstawy teoretyczne: Typ analizy zmęczeniowej
Analiza zmęczeniowa – Spoiny czołowe przekroju dwuteowego
Ten typ analizy jest dostępny dla naszych użytkowników w edycji Enhanced.
