Aktualności
5 Marzec 2021

Dlaczego warto wykonać weryfikację wytrzymałości zmęczeniowej maszyn i urządzeń?

Zjawisko degradacji własności mechanicznych materiałów postępujące w czasie eksploatacji urządzeń i prowadzi do obniżenia wytrzymałości ich konstrukcji. Skutkuje to groźnymi wypadkami, zniszczeniami czy katastrofami. Postęp gospodarczy oraz rozwój technologiczno-techniczny determinuje prowadzenie coraz bardziej zaawansowanych badań zmęczeniowych.

Wynika to ze wzrostu wartości obciążeń, zwiększenia stopnia ich złożoności i konieczności optymalizacji użytych materiałów. Prawidłowo wykonane obliczenia zmęczeniowe mają bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo ludzi, mienia oraz są uzasadnione ekonomicznie przy optymalizacji kosztów produkcji.

Badania i eksperymenty mające na celu wytłumaczenie zjawiska zmęczenia materiału prowadzone są już od XIX wieku. Pierwsze istotne, z naukowego punktu widzenia, prace nad zmęczeniem materiałów wykonał August Wöhler w 1860 roku. Wykonał obliczenia krzywych S-N, obecnie zwanych jako krzywe Wöhlera. Pozwoliło to na scharakteryzowanie zachowania zmęczeniowego materiałów. Od tego czasu rozwój badań nad obciążeniami cyklicznymi znacząco przyspieszył. Szczególnie w XXI wieku zauważamy ogromny rozwój badań nad problematyką zmęczenia materiału. Duży wpływ ma na to polityka ergonomiczności urządzeń oraz dążenie do minimalizowania kosztów.

Zagadnienia związane ze zmęczeniem materiału dzielimy na metody:

  • bazujące na odkształceniach (niskocyklowe)

  • bazujące na naprężeniach (wysokocyklowe)

  • bazujące na współczynniku intensywności naprężeń

  • bazujące na energii odkształcenia

Obecnie szybko rozwijają się nowe metody szacowania trwałości zmęczeniowej elementów maszyn w ujęciu odkształceniowym. Podejście to wymusza przyjęcie wielu różnych danych eksploatacyjnych, materiałowych oraz szczegółowego schematu i harmonogramu obciążania. Przyjęte kryteria zmęczeniowe w przypadku obciążeń wieloosiowych opierają się na określeniu nośności w postaci wartości zrównoważonej, która umożliwia porównanie tego obciążenia z obciążeniem jednoosiowym. W tym przypadku zakłada się, że kumulacja uszkodzeń zmęczeniowych będzie taka sama dla wieloosiowego, jak i jednoosiowego obciążenia, jeżeli wielkości równoważne dla obu tych obciążeń będą tożsame.

W wielu modelach kumulacji uszkodzeń zmęczeniowych, w złożonych stanach obciążenia, błędnie nie zwraca się uwagi na zmianę własności mechanicznych uszkodzonego materiału. Zatem, mimo zmian równań konstytutywnych pozostają one w prowadzonej analizie stałe. Modele te wykorzystują jedynie wielkości makroskopowe, wielkości średnie naprężeń i odkształceń bez uwzględniania ich zmian w różnych płaszczyznach. Jeśli są już prowadzone badania, to wymagane do analiz dane materiałowe pozyskuje się z prowadzonych badań niskocyklowych próbek poddanych zmiennym odkształceniom lub naprężeniom z zakresu stabilizacji własności cyklicznych.

Z punktu widzenia zastosowań inżynierskich istotny jest umiejętny opis zjawisk występujących w materiale poddanym złożonym stanom obciążenia. Stany te mogą być wynikiem działania cyklicznych proporcjonalnych oraz nieproporcjonalnych obciążeń. Badania doświadczalne w złożonych stanach naprężeń, zarówno przy proporcjonalnych, jak i nieproporcjonalnych ścieżkach obciążenia, znajdują się w intensywnie rozwijanej gałęzi mechaniki ciała stałego, mimo iż z technicznego punktu widzenia, są to badania bardzo trudne do wykonania. Wymagają one zastosowania nowoczesnej aparatury badawczej (maszyny wytrzymałościowej posiadającej ekstensometry lub wideo-ekstensometry) umożliwiającej precyzyjne sterowanie przebiegiem obciążania.
Posiadanie wiedzy na temat zachowania się metali przy złożonych stanach obciążania, w tym pod wpływem proporcjonalnych i nieproporcjonalnych ścieżek obciążeń, jest skomplikowane. Należy uwzględnić efekty dodatkowego umocnienia materiału następującego przy złożonych obciążeniach cyklicznych w zakresie zmęczenia niskocyklowego, które prowadzą do obniżenia wytrzymałości zmęczeniowej. Zmiany te mają znaczenie z punktu widzenia powtarzalności tego typu obciążeń cyklicznych w rzeczywistych konstrukcjach i urządzeniach. Obserwowane zmiany ilościowe przy tego typu obciążeniach zależne są nie tylko od kąta przesunięcia fazowego pomiędzy składowymi odkształceń i od ich amplitudy, ale również od kształtu drogi obciążania badanego obiektu w przestrzeni naprężeń i odkształceń.

Z badań wynika, że dla wielu metali istnienie okresu stabilizacji jest określone często umownie, zatem wynik prowadzonych analiz jest obarczony dużym błędem. Materiały konstrukcyjne mogą wykazywać zarówno efekt cyklicznego umocnienia, jak i osłabienia w zależności od indywidualnych predyspozycji materiału. Wspomniane cechy materiału prowadzą do wzrostu lub obniżenia wartości amplitudy w kolejnych cyklach na stałe wymuszenie. Po pewnej liczbie cykli materiał zachowuje się stabilnie poprzez osiągnięcie stanu nasycenia.

Pomimo istnienia dużej liczby kryteriów kumulacji uszkodzeń w złożonych stanach obciążenia, w zakresie małej liczby cykli, nie istnieje jedno ustalone kryterium. Istotne jest, by opracowany model mógł być łatwy do zastosowania i wykorzystywał dane eksploatacyjne do oceny trwałości, gdyż to one są głównym czynnikiem stanowiącym o prawidłowości uzyskanych wyników.

Rozwój technologii w inżynierii mechanicznej czy przemysłowej wymusza na inżynierach opracowanie nowych metod badawczych pozwalających na szacowanie trwałości zmęczeniowej konstrukcji. Niestety wolniej od rozwoju technologii rozwijają się przepisy prawa - standardy i normy.

W zakresie weryfikacji wytrzymałości zmęczeniowej firma KOMES posiada wieloletnie doświadczenie. Obliczenia wykonujemy na poziomie eksperckim.

Zapraszamy do kontaktu.