α k = σ max /σ nom (1)

Podobne dokumenty
Wyboczenie ściskanego pręta

Laboratorium Wytrzymałości Materiałów

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

Wprowadzenie do WK1 Stan naprężenia

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z KONSTRUKCJI METALOWCH. Ć w i c z e n i e H. Interferometria plamkowa w zastosowaniu do pomiaru przemieszczeń

ĆWICZENIE 1 STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA METALI - UPROSZCZONA. 1. Protokół próby rozciągania Rodzaj badanego materiału. 1.2.

Metody badań materiałów konstrukcyjnych

Wzór Żurawskiego. Belka o przekroju kołowym. Składowe naprężenia stycznego można wyrazić następująco (np. [1,2]): T r 2 y ν ) (1) (2)

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

ELEMENTU METODĄ ELASTOOPTYCZNĄ

WYZNACZANIE MODUŁU SZTYWNOŚCI METODĄ DYNAMICZNĄ

DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Wyznaczanie koncentracji naprężeń w elemencie rurowym z otworem

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Wytrzymałość materiałów Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy Kod przedmiotu:

Metoda elementów skończonych

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Wytrzymałość materiałów Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy Kod przedmiotu:

Dr inż. Janusz Dębiński

Wytrzymałość Konstrukcji I - MEiL część II egzaminu. 1. Omówić wykresy rozciągania typowych materiałów. Podać charakterystyczne punkty wykresów.

Materiały dydaktyczne. Semestr IV. Laboratorium

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów studia niestacjonarne I-go stopnia, semestr zimowy

Modelowanie Wspomagające Projektowanie Maszyn

Badanie zjawiska kontaktu LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Podstawowe pojęcia wytrzymałości materiałów. Statyczna próba rozciągania metali. Warunek nośności i użytkowania. Założenia

Integralność konstrukcji w eksploatacji

TECHNIKA ELASTOOPTYCZNEJ WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

Rozkład normalny, niepewność standardowa typu A

ZMĘCZENIE MATERIAŁU POD KONTROLĄ

Tranzystory bipolarne. Małosygnałowe parametry tranzystorów.

TARCZE PROSTOKĄTNE Charakterystyczne wielkości i równania

Defi f nicja n aprę r żeń

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

1. Połączenia spawane

Analiza stanów naprężenia metodą elastooptyczną

700 [kg/m 3 ] * 0,012 [m] = 8,4. Suma (g): 0,138 Ze względu na ciężar wykończenia obciążenie stałe powiększono o 1%:

Laboratorium wytrzymałości materiałów

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

Liczba godzin Liczba tygodni w tygodniu w semestrze

MONITOROWANIE ZMIAN NAPRĘŻEŃ W ŻELIWNYCH TUBINGACH METODĄ ELASTOOPTYCZNĄ

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Materiały do laboratorium Przygotowanie Nowego Wyrobu dotyczące metody elementów skończonych (MES) Opracowała: dr inŝ.

Wytrzymałość Materiałów II studia zaoczne inżynierskie I stopnia kierunek studiów Budownictwo, sem. IV materiały pomocnicze do ćwiczeń

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 1 Badanie efektu Faraday a w monokryształach o strukturze granatu

Wyznaczanie zależności współczynnika załamania światła od długości fali światła

BADANIE STANÓW RÓWNOWAGI UKŁADU MECHANICZNEGO

Wprowadzenie do Techniki. Materiały pomocnicze do projektowania z przedmiotu: Ćwiczenie nr 2 Przykład obliczenia

Wyznaczenie współczynnika restytucji

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 4

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

MECHANIKA PRĘTÓW CIENKOŚCIENNYCH

1 Charakterystyka ustrojów powierzchniowych. Anna Stankiewicz

Ć w i c z e n i e K 4

Politechnika Białostocka

WIBROIZOLACJA określanie właściwości wibroizolacyjnych materiałów

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu MECHANIKA I BUDOWA MASZYN Studia pierwszego stopnia

BŁĘDY W POMIARACH BEZPOŚREDNICH

Informacje ogólne. Rys. 1. Rozkłady odkształceń, które mogą powstać w stanie granicznym nośności

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

WIBROIZOLACJA określanie właściwości wibroizolacyjnych materiałów

Zmęczenie Materiałów pod Kontrolą

WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA METODĄ STRZAŁKI UGIĘCIA

Imię i nazwisko (e mail): Rok:. (2010/2011) Grupa: Ćw. 5: Pomiar parametrów sygnałów napięciowych Zaliczenie: Podpis prowadzącego: Uwagi:

Karta (sylabus) przedmiotu Mechanika i Budowa Maszyn Studia I stopnia o profilu: A P

Przykład 4.1. Ściag stalowy. L200x100x cm 10 cm I120. Obliczyć dopuszczalną siłę P rozciagającą ściąg stalowy o przekroju pokazanym na poniższym

Nauka o Materiałach. Wykład VIII. Odkształcenie materiałów właściwości sprężyste. Jerzy Lis

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu MECHANIKA I BUDOWA MASZYN Studia pierwszego stopnia

Mechanika i wytrzymałość materiałów instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 11: Moduł Younga

OPŁYW PROFILU. Ciała opływane. profile lotnicze łopatki. Rys. 1. Podział ciał opływanych pod względem aerodynamicznym

SKRĘCANIE WAŁÓW OKRĄGŁYCH

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH. Doświadczalne sprawdzenie zasady superpozycji

MODELOWANIE UZIOMÓW W WANNIE ELEKTROLITYCZNEJ

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Ćwiczenie 2 WSPÓŁPRACA JEDNAKOWYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH W RÓŻNYCH KONFIGURACJACH POŁĄCZEŃ. Opis stanowiska pomiarowego. Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali

TENSOMETRIA ZARYS TEORETYCZNY

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyn i współczynnika sztywności zastępczej

Wykład 8: Lepko-sprężyste odkształcenia ciał

Grupa: Elektrotechnika, Studia stacjonarne, II stopień, sem. 1. wersja z dn Laboratorium Techniki Świetlnej

ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ STALOWEGO KADŁUBA STATKU

2. Pręt skręcany o przekroju kołowym

Analiza zderzeń dwóch ciał sprężystych

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Transkrypt:

Badanie koncentracji naprężeń - doświadczalne wyznaczanie współczynnika kształtu oprac. dr inż. Ludomir J. Jankowski 1. Wstęp Występowaniu skokowych zmian kształtu obciążonego elementu, obecności otworów, wcięć lub szczelin, a także lokalnych oddziaływań innych elementów (obciążeń skupionych lub działających na niewielkim obszarze) towarzyszy koncentracja naprężeń. Maksymalne wartości naprężeń mogą znacznie przekraczać wartości dopuszczalne (obliczane z reguły przy założeniu ich równomiernego lub wolnozmiennego charakteru rozkładu), a miejsca ich występowania to z reguły obszary powstawania pęknięć zmęczeniowych lub uszkodzeń o charakterze doraźnym. Występowanie spiętrzeń naprężeń jest wiązane z pojęciem zbiorów: wypukłego i niewypukłego [1]. W pierwszym przypadku, odcinek łączący dwa punkty tego zbioru przebiega wewnątrz zbioru, natomiast w drugim istnieją odcinki, które nie spełniają tego warunku rys. 1. a) b) Rys. 1. Zbiory: a) wypukły, b) niewypukły W praktyce, wpływ ukształtowania danego elementu na zjawisko koncentracji naprężeń może być uwzględniony za pomocą współczynnika koncentracji naprężeń definiowanego ogólnie jako: α k = σ max /σ nom (1) Występujące we wzorze (1) naprężenie nominalne σ nom jest najczęściej obliczane przy założeniu równomiernego charakteru rozkładu naprężeń, np. nieuwzględniającego występowanie skokowej zmiany kształtu, obecności otworu, itp.. Wartość współczynnika α k można wyznaczyć w niektórych przypadkach analitycznie lub na drodze obliczeń numerycznych (np.[2]). Jednak doświadczalne wyznaczanie współczynnika koncentracji naprężeń jest równie efektywne, a nawet niezbędne, np. w celu weryfikacji przyjętych w obliczeniach założeń i uproszczeń. 2. Cel ćwiczenia i obiekt badań Celem ćwiczenia jest doświadczalne wyznaczenie współczynnika kształtu α k, określającego wpływ geometrii obciążonego elementu na spiętrzenie naprężeń, zdefiniowanego ogólnie za pomocą wzoru (1). Obiektem badań są rozciągane próbki o przekroju prostokątnym (rys. 2). 1

a) b) 2b 2R 2b R 2b 1 Rys. 1. Schematy badanych próbek 3. Obliczenia wartości współczynnika koncentracji naprężeń W przypadku próbki pokazanej na rys. 2a, teoretyczną wartość współczynnika koncentracji naprężeń można obliczyć na podstawie rozwiązania zadania Kirscha, tj. rozkładu naprężeń w nieskończonej tarczy z kołowym otworem, jednokierunkowo rozciąganej (rys. 3). p y R y = 0 r x Θ p Rys. 3. Nieskończona tarcza z otworem kołowym oznaczenia 2

Korzystając z potencjałów zespolonych opisujących pole naprężeń, uzyskuje się wzory umożliwiające obliczenie składowych stanu naprężenia w dowolnym punkcie tarczy (np.[3]), określonym we współrzędnych biegunowych (ρ,θ), przy czym ρ= r/r: σ Θ = p[(1 + R 2 / r 2 ) (1 + 3 R 4 / r 4 ) cos 2Θ]/2 σ ρ = p[(1 - R 2 / r 2 ) + (1-4 R 2 / r 2 + 3 R 4 / r 4 ) cos 2Θ]/2 (2) τ ρθ = -p[(1 + 2 R 2 / r 2 3 R 4 / r 4 ) sin 2Θ]/2 Łatwo wykazać, że dla r=r, tj. ρ=1, jest: σ ρ = τ ρθ = 0, natomiast σ Θ max = 3p, przy czym naprężenie p jest naprężeniem działającym w obszarze niezakłóconym przez otwór (w nieskończoności), a miejsce występowania maksymalnej wartości naprężenia na krawędzi otworu określa kąt Θ = π/2 (y = 0). Tak więc, teoretyczna wartość współczynnika koncentracji naprężenia wynosi: α k teoret = 3. W przypadku próbek o skokowo zmiennej szerokości można przyjąć, że współczynnik koncentracji naprężeń uwzględnia wartość σ nom obliczoną dla szerszej części próbki: σ nom = F / 2bt (3) gdzie: F siła, t grubość próbki, stąd teoretyczna wartość współczynnika koncentracji naprężeń wynosi: α k teoret = σ max /σ nom = b / b 1 (4) bowiem naprężenie działające w węższej części próbki (co wynika z warunku równowagi) ma wartość: σ = F / 2b 1 t (5) 4. Metoda pomiaru Wartości współczynników kształtu, charakteryzujących koncentrację naprężeń w pokazanych powyżej przypadkach, należy wyznaczyć metodą elastooptyczną [3]. Istotą elastooptyki jest wykorzystywanie światła, jako nośnika informacji, oraz związku między właściwościami optycznymi niektórych materiałów, a polem odkształceń (naprężeń). W szczególności, w tej metodzie pomiaru wykorzystywane jest zjawisko polaryzacji światła oraz anizotropii optycznej (dwójłomności wymuszonej) niektórych materiałów (np. szkła, żywicy epoksydowej, żelatyny). Obserwacja w świetle spolaryzowanym, elementów lub modeli obiektów rzeczywistych wykonanych z takich materiałów, pozwala zarejestrować efekty optyczne w postaci prążków zwanych izochromami i izoklinami. Są one jednoznacznie związane z polem odkształceń, a w zakresie liniowo-sprężystych odkształceń materiału również z polem naprężeń. Na ich podstawie można przeprowadzić analizę rozkładu naprężeń normalnych i stycznych w analizowanym obszarze. W szczególności, podstawowe równanie elastooptyki, wiąże różnicę naprężeń głównych (σ 1 σ 2 ) z efektem optycznym (rzędem izochromy N), równaniem o postaci: 3

σ 1 σ 2 = N f σ (6) gdzie: f σ tzw. naprężeniowa wartość rzędu izochromy. W przypadku wyznaczenia tzw. parametru izokliny α, bezpośrednio z pomiaru można wyznaczyć wartość naprężenia stycznego: τ xy = (N f σ sin 2α)/2 (7) W ogólnym przypadku, w celu określenia składowych normalnych stanu naprężenia, konieczne jest tzw. rozdzielenie naprężeń metodami numerycznymi lub z wykorzystaniem wyników dodatkowych pomiarów wykonywanych innymi metodami. Jednak na nieobciążonych, obciążeniami normalnymi lub stycznymi, krawędziach badanych elementów jest σ 2 = 0, tak więc wartość naprężenia działającego stycznie do krawędzi jest wprost proporcjonalna do rzędu izochromy zmierzonego w danym jej punkcie: (σ 1 ) i = N i f σ (8) co pozwala wyznaczać w takich przypadkach wartość naprężeń maksymalnych na zasadzie pomiaru maksymalnej wartości rzędu izochromy. Pożądany stan polaryzacji światła, umożliwiający śledzenie efektu dwójłomności, uzyskuje się w tzw. polaryskopach. Są one wyposażone w elementy optyczne umożliwiające uzyskanie światła o określonej polaryzacji (kołowej lub liniowej) oraz analizę zmian wywołanych anizotropią optyczną badanego ośrodka. Typowy schemat polaryskopu z transmisyjną wiązką światła pokazano na rys. 3. zespół polaryzatora zespół analizatora źródło światła kierunek obserwacji 5. Sprzęt pomiarowy i przebieg pomiarów Rys. 3. Schemat polaryskopu transmisyjnego badana próbka (model) Pomiary realizowane są na stanowisku wyposażonym w polaryskop transmisyjny f-my Carl Zeiss Jena, układ do realizacji obciążeń statycznych badanych próbek oraz układ do rejestracji obrazów izochrom (np. aparat cyfrowy ze statywem). W przypadku rozciągania pasma z otworem, współczynnik α k jest wyznaczany dla próbek o zmiennej szerokości, dla stosunku R/b wynoszącego: 1.5; 2; 3 i 4, przy stałej wartości promienia otworu R = 6 mm i wartości σ nom = const. (tabela 1). Natomiast próbki o skokowo zmiennej szerokości mają stały stosunek b/b 1 i zmienny promień R, wynoszący: ~ 0.0; 2.5; 4.0 i 6.0 mm. 4

Szerokość i obciążenie badanych próbek Tabela 1. Próbka b [mm] F/F P1 P1 9.0 1.00 P2 12.0 1.33 P3 18.0 2.00 6. Opracowanie danych uzyskanych z pomiarów Obliczenie wartości współczynnika koncentracji naprężeń sprowadza się do: a) wyznaczenia, na podstawie zarejestrowanych obrazów izochrom całkowitych (N = 0; 1; 2; ) i połówkowych (N = 0.5; 1.5; ) wartości N max, dla określonej geometrii badanej próbki i poziomu obciążenia, b) obliczenia wartości σ max na podstawie wzoru (3), c) obliczenia wartości σ nom, d) wyznaczenia wartości α k na podstawie wzoru (1), e) sporządzenia wykresów α k jako funkcji stosunku R/b. Na podstawie przeprowadzonej analizy danych pomiarowych należy określić: 1. wpływ skończonej szerokości rozciąganego pasma z otworem na spiętrzenie naprężeń wokół otworu wykres α k (R/b) oraz określić charakter rozkładu σ Θ w przekroju y=0 (Θ=π/2) - wzór (4) oraz wykresu N(x) w tym samym przekroju, 2. wpływ zmiany promienia R na spiętrzenie naprężeń w miejscu zmiany szerokości (sztywności) pasma wykres α k (R/b) W obu przypadkach należy uzyskane rezultaty porównać z wartościami teoretycznymi współczynników koncentracji naprężeń. 7. Sprawozdanie z ćwiczenia Sprawozdanie powinno zawierać: P4 24.0 2.66 schemat stanowiska pomiarowego i obciążenia próbek, charakterystyki badanych próbek (geometria, dane materiałowe), zdjęcia izochrom użytych do obliczeń współczynników koncentracji naprężeń, w tym ewentualne wyniki ekstrapolacji rzędów izochrom, przykładowe obliczenia współczynników oraz wykresy α k (R/b), wnioski wynikające z przeprowadzonych doświadczeń. 5

Literatura [1] Gawęcki A., Mechanika materiałów i konstrukcji prętowych, wyd. Alma Mater, Polit. Poznańska, 2003. [2] Laboratorium wytrzymałości materiałów, pod red. K. Gołosia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2000. [3] Gabryszewski Z., Teoria sprężystości, skrypt Polit.Wrocławskiej, Wrocław, 1977. 6