SOLIDWORKS Simulation. Анализ конструкции: как узнать, выйдет ли из строя ваша деталь?

Джоди Мелене (Jody Muelaner, Ph.D. CEng MIMechE)

Оригинал публикации: Structural Analysis: How Do You Know If Your Part Will Fail?

SOLIDWORKS Simulation надає широкий спектр інструментів для моделювання напружень в механічних деталях. Як і в будь-якому моделюванні, результати настільки хороші, наскільки хороші припущення, які ми робимо під час налаштування моделі та аналізі результатів. Ця стаття присвячена тому, як ми інтерпретуємо розрахункове напруження, щоб визначити, чи вийде деталь з ладу.

Критерии разрушения

Разрушение материала может произойти при статической нагрузке, усталости или потере стойкости. В условиях статической нагрузки материалы обычно разрушаются одним из двух способов: либо из-за хрупкого разрушения, либо из-за пластической деформации.

Мягкая сталь является типичным примером пластического материала, а керамика – примером хрупкого материала, хотя практически любой материал может вести себя как хрупкий в таких условиях, как очень низкая температура или сильная циклическая нагрузка. Аналогично большинство материалов могут быть пластичными при очень высоких температурах. Во всем диапазоне типовых условий большинство материалов можно считать либо хрупкими, либо пластическими. Однако с некоторыми материалами, такими как алюминиевые сплавы, ситуация несколько иная: одна большая нагрузка может привести к деформации, а циклическая утомительная нагрузка приведет к разрушению.

Способ определения разрушения может также изменяться в зависимости от способа использования детали. Например, если скоба страховки подвергается при остановке падения, это, вероятно, не разрушение. На самом деле, может оказаться желательным, чтобы скоба подверглась, поскольку это будет рассеивать некоторую энергию, защищая как встроенное оборудование, так и падающего человека от более высоких пиковых сил. [Надеемся, что скоба несет предупреждение о том, что ее не следует использовать после падения, поскольку теперь ее форма отличается от проектной. – Ред.]

В этом случае простым критерием разрушения может быть ситуация, когда среднее напряжение по поперечному сечению превышает предельное напряжение растягивающегося материала. Однако если та же скоба использовалась как подъемный механизм, требующий многократного использования, то деформация будет рассматриваться как выход из строя детали. В этом случае одна и та же деталь, подвергающаяся одной и той же нагрузке, может иметь различные критерии отказа, которые определяются в соответствии с требованиями использования.

Некоторые потенциальные физические механизмы разрушения включают деформацию, разрушение и изгиб. Для проверки каждого критерия разрушения требуется отдельный анализ.

Для детали, нагруженной чистым растяжением, критерием текучести просто предел текучести материала. Однако большинство деталей испытывают более сложные нагрузки, что приводит к трехмерной комбинации растяжения, сжатия и сдвига.

Самый простой способ учесть эти факторы – это распределить напряжение по их главным направлениям, используя круг Мора. Если эти отдельные значения меньше предела текучести материала, эта теория утверждает, что он не должен деформироваться. Основным подходом является упрощение, другие теории разрушения используют более сложный подход для определения момента возникновения выхода детали из строя. Они рассматривают микромеханику материалов, включающую скольжение атомов внутри кристаллической решетки и перемещение границ зерен относительно друг друга.

Поэтому для пластических и хрупких материалов следует использовать разные подходы. Они обычно предполагают, что материал является пластичным и изотропным, что означает, что он имеет одинаковую прочность и жесткость по всем направлениям. Металлы обычно можно считать изотропными, а древесину и композиты – нет.

Наиболее распространенными критериями разрушения, используемыми для статического напряжения, являются критерии Мизеса, Треска и максимальное нормальное напряжение. Все они включают сначала расчет основных напряжений, а затем объединение их в одно значение напряжения, представляющее напряжение в точке трехмерного твердого тела. Если это совокупное напряжение меньше предела текучести при растяжении материала, он не должен подвергаться.

Критерии фон Мизеса и Треска используются для пластических материалов, в то время как критерий максимального нормального напряжения используется для хрупких материалов. Критерий фон Мизеса является наиболее распространенным, используемым для анализа статического напряжения. Критерий Треска очень похож, но при определенных обстоятельствах может давать несколько более высокие значения напряжений; поэтому он более консервативен, что приводит к повышению безопасности.

SOLIDWORKS Simulation не поддерживает критерий разрушения по треску, но интенсивность напряжений (P1-P3) дает аналогичные значения.

Для хрупких материалов лучше всего использовать максимальное нормальное напряжение (Р1). Однако хрупкие материалы могут потребовать более детального рассмотрения механики их разрушения, которая описывает способ распространения трещин и приводит к внезапным и катастрофическим разрушениям.

Для хрупкого разрушения было разработано множество теоретических критериев разрушения. На рисунке, приведенном ниже, показано, что результаты, полученные по критериям Мизеса, Треска и максимального нормального напряжения, очень похожи, но имеют несколько отличные максимальные значения. В этой статье я дал краткий обзор некоторых важнейших критериев разрушения при статическом напряжении.