KONSTRUKCIJSKI ELEMENTI – 1. Kolokvij OSNOVE 1. Pojam konstruiranja. Konstruiranje je misaoni proces tijekom kojega se oblikuje ideja o tehničkom proizvodu za koji se zatim izrađuje tehnička dokumentacija kako bi se moglo pristupiti proizvodnji i korištenju gotovog proizvoda. 2. Zahtjevi pri konstruiranju. Tehnički zahtjevi - Funkcionalna ispravnost: u određenom vijeku trajanja - Tehnološka isp.: oblik konstrukcije mora biti prilagođen postupku proizvodnje da bi izrada i obrada bile što jednostavnije i jeftinije Zahtjevi ekonomičnosti - Što manji troškovi konstruiranja, izrade/obrade, montaže i kontrole, transporta i skladištenja, eksploatacije (energija, materijal) i održavanja Zahtjevi tržišta - Oblik, boja, veličina, izgled.. 3. Faze procesa konstruiranja.
4. Zahtjevi kod izbora materijala. Tehnički zahtjevi: - Funkcionalna ispravnost: svojstva materijala (Rm, Re (Rp0.2), Rd, E, G, tvrdoća, ρ, α, cp, λ, …) moraju odgovarati radnim uvjetima (naprezanja, temperature, režim rada, …). - Tehnološka ispravnost: omogućiti što bolju i lakšu izradu i obradu (pogodnost materijala za lijevanje, prešane, zavarivanje, strojnu obradu, toplinsku obradu, …) ovisi i o broju izradaka : Zahtjevi ekonomičnosti: Što manji troškovi ovisni o materijalu (troškovi sirovine – standardizirani profili, izrade, obrade, transporta, …) kompromisno rješenje Svojstva materijala: knjiga, strojarski priručnik…
5. Kakva treba biti površinska obrada konstrukcijskog elementa?
Površina konstrukcijskog elementa je hrapava, tj. karakterizirana nizom neravnina (posljedica obrade materijala) koje mogu izazvati: smanjenje dinamičke čvrstoće, trenje i habanje tarno (tribološki) opterećenih površina, smanjenje stezanja između osovina i glavina manja nosivost, ubrzavanje korozije, … Fina obrada pak poskupljuje proizvodnju
Potrebno je pronaći optimum funkcionalnosti i ekonomičnosti: Površina mora biti što hrapavija kako bi obrada bila jeftina, ali obavezno mora ispuniti zahtjeve funkcionalnosti. 6. Temeljno pravilo kod izbora tolerancija. Temeljno pravilo: Grubo koliko je moguće, fino koliko je potrebno!
VAŽNIJI POJMOVI 7. Čvrstoća. Čvrstoća je sposobnost opterećenog tijela da prenosi opterećenja bez pojave nedopuštenih oštećenja – loma, trajnih plastičnih deformacija ili pukotina 8. Elastičnost, plastičnost, elastične deformacije, plastične deformacije. Elastičnost je svojstvo tijela da se po prestanku opterećenja vrati u svoj prvobitni oblik; svojstvo prisutno samo do određene visine opterećenja, što ovisi o vrsti materijala. Elastične deformacije: deformacije koje će nestati nakon prestanka djelovanja opterećenja Plastičnost: svojstvo tijela da se može trajno deformirati, tj. ostati deformirano i nakon prestanka djelovanja opterećenja. Plastične deformacije: trajne deformacije koje će ostati i nakon prestanka djelovanja opterećenja 9. Krutost i podatljivost. Krutost: otpornost tijela prema deformiranju; izražava se pomoću koeficijenta krutosti: omjer sile i deformacije izazvane tom silom kod „krutog tijela“ bit će potrebna velika sila za izazivanje određene deformacije Podatljivost: suprotno od krutosti – sklonost tijela prema deformiranju; izražava se pomoću koeficijenta podatljivosti : omjer deformacije i sile koja ju je izazvala (recipročna vrijednost koeficijenta krutosti) kod „podatljivog“ tijela malom će se silom izazvati velika deformacija. 10. Karakteristična svojstva žilavih i karakteristična svojstva krhkih materijala. Žilavi (duktilni, rastezljivi) materijali: nakon početnih elastičnih deformacija imaju sposobnost znatnijih plastičnih deformacija prije loma ( npr. Cu, Al, konstrukcijski čelik). Krhki (krti) materijali: nakon početnih elastičnih deformacija lome se bez značajnih plastičnih deformacija (npr. Sivi lijev, staklo) 11. Tvrdoća. Tvrdoća: svojstvo materijala da se suprotstavlja prodiranju stranih tijela u njega.
NAPREZANJA I DEFORMACIJE U KONSTRUKCIJSKIM ELEMENTIMA 12. Aksijalno opterećenje: formule za naprezanje i dilataciju. Vanjska sila F djeluje u pravcu uzdužne osi okomito na poprečni presjek štapa A u A vlada normalno naprezanje σ Smjer sile takav da želi štap produžiti vlačno opterećenje (vlak) bliski susjedni slojevi štapa S1 i S2 se udaljavaju (ali ostaju paralelni); uzima se da sila F i naprezanje σ imaju pozitivnu vrijednost Smjer sile takav da želi štap skratiti tlačno opterećenje(tlak) bliski susjedni slojevi štapa S1 i S2 se približavaju (i ostaju paralelni); uzima se da sila F i naprezanje σ imaju negativnu vrijednost
13. Hooke-ovi dijagrami za žilave i krhke materijale; RP , RE , Re , Rp0,2 i Rm.
Ovisnost σ-ε određuje se na kidalici za pojedine materijale eksperimentalno vlačnim opteredivanjem epruveta normiranih izmjera te sa određenom obradom i tolerancijom. Povećavamo silu F; registriramo silu i produljenje sve do kidanja. ovisnost naprezanja i dilatacije.
Točka P: granica (linearne) proporci. RP Do točke E: područje elastičnosti; granica RE Iznad točke E: plastične deformacije točka T (granica tečenja; razvlačenja; plastičnosti Re) točka M: vlačna čvrstoća ili granica čv. Rm 13 Rm : najveće opterećenje koje materijal može podnijeti nakon M sila se više ne može povećavati te se epruveta, gdje je najveće oslabljenje presjeka, počinje naglo sužavati naprezanje pada do točke K naprezanja). Puna linija: konvencionalni dijagram- sva naprezanja su proračunata u odnosu na početnu površinu poprečnog presjeka A. Iscrtkana linija – dijagram stvarnih naprez. Točka K: granica loma RK
Meki se čelik može znatno plastično deformirati žilavi materijal. Neki žilavi materijali nemaju izrazitu granicu tečenja Re koja se može utvrditi sa dijagrama σ – ε (eksperimentalno se ne pojavljuje „grba“ na dijagramu) konvencionalnom granicom tečenja Rp0,2 smatramo naprezanje kod kojega nakon rasterećenja ostaje trajno relativno produljenje ε=0,002=0,2%.
14. Koji su podaci mjerodavni za proračun čvrstoće žilavih, odnosno krhkih materijala? - Za žilave materijale granica tečenja Re, a za krhke granica čvrstoće Rm.
15. Hookeov zakon. Do granice proporcionalnosti Rp: linearna zavisnost σ – ε može se izraziti u obliku: σ = E ε Hookeov zakon E: modul elastičnosti ili Youngov modul (konst. za određeni materijal) *N/mm2; N/m2 –dimenzija naprezanja] Č: 2,1*105 N/mm2, SL: 1*105 N/mm2, Al: 0,7*105 N/mm2.
Dijelovi konstrukcija ne smiju se plastično deformirati dimenzioniraju se tako da naprezanja budu manja od RE koja se teško određuje naprezanja kod žilavih materijala računaju se u odnosu na granicu tečenja Re (Rp0,2).
16. Toplinske dilatacije i naprezanja. = koeficijent toplinskog rastezanja [K-1] pri porastu/padu temperature [K, °C] Štap slobodan na jednom kraju: pri zagrijavanju može slobodno dilatirati nema naprezanja (nema vanjskih sila). Štap ukliješten na obje strane: dilatacije su onemogućene javlja se naprezanje koje odgovara l koje bi se javilo pri porastu temperature kad bi štap bio slobodan.
17. Smicanje: formula za naprezanje, veza između naprezanja i deformacije. Vanjska sila F djeluje u ravnini poprečnog presjeka štapa, okomito na njegovu uzdužnu os (npr. Kod rezanja škarama). Dolazi do međusobnog translatornog klizanja bliskih susjednih slojeva štapa (smicanja) pa se ravnini poprečnog presjeka javlja tangencijalno
naprezanje τ (raspored nije jednolik po A, ali se u praksi često računa sa srednjim naprezanjem): Element se deformira za kut smicanja(kutnu deformaciju) γ. Analogno Hookeovu zakonu postoji zavisnost između naprezanja i deformacije: G: modul smicanja (konstantan za određeni materijal) N/mm2
18. Torzija: formule za naprezanje i kut uvijanja; raspodjela naprezanja u popr. presjeku; što su Wp ,Wt i Ip. Torziju izaziva moment sprega sila – moment torzije T – koje djeluju u ravnini poprečnog presjeka štapa. Dolazi do deformacije uzdužnih vlakana tj. međusobnog rotacijskog klizanja bliskih susjednih slojeva štapa S1 i S2. To klizanje generira unutarnje sile koje djeluju u ravnini poprečnog presjeka u tom presjeku vlada tangencijalno naprezanje τ.
Poprečni presjek štapa se pri duljini uvijanja l zakreće za kut torzije (uvijanja) : kod torzije okruglih presjeka tangencijalno naprezanje raste linearno s povećanjem polumjera najveće naprezanje (u vlaknu najudaljenijem od osi): Wp [mm3] polarni moment otpora- geometrijska karakteristika presjeka Kod ne okruglih presjeka tangencijalno naprezanje ne raste linearno s povećanjem promjera a i raspored po presjeku je drugačiji : Wt [mm3] torzijski moment otpora (za okrugle presjeke Wt=Wp) 19. Savijanje: formula za normalno naprezanje; raspodjela naprezanja u poprečnom presjeku; što je Wx. Deformacija i naprezanje u vlaknima ne ovise o njihovu položaju po širini presjeka (po dubini crteža). Naprezanje na udaljenosti y od neutralne osi x (leži u neutralnoj plohi, a okomita je na ravninu u kojoj djeluju momenti) biti će: Ix [mm4] –moment tromosti presjeka – mora se uzeti u odnosu na os koja se nalazi u neutralnoj plohi (os x). Najčešće nas zanima samo najveće naprezanje (na najvećoj udaljenosti od neutralne ravnine):
20. Složena naprezanja; definicija ekvivalentnog naprezanja i formula. Normalna i tangencijalna naprezanja se mogu aritmetički zbrajati ako djeluju na istom pravcu:
Ako naprezanja ne djeluju na istom pravcu, zbrajaju se vektorski. Najčešće se u KE javlja višeosno (složeno) stanje naprezanja svodi se na neko jednakovrijedno jednoosno stanje naprezanja preračunava se u tzv. Ekvivalentno (normalno) naprezanje σe Ekvivalentno (reducirano, efektivno) naprezanje σe je ono normalno jednoosno naprezanje koje na konstrukciju u pogledu čvrstoće ima jednako djelovanje kao neko višeosno / složeno stanje naprezanja.
21. Koncentracija naprezanja. Konstrukcije treba prilagoditi vrsti opterećenja; materijal, treba koncentrirati tamo gdje je najveće naprezanje. Vlak/Tlak : sve točke opterećenog presjeka su jednako napregnute oblik presjeka nema utjecaja na naprezanje, a čvrstoća materijala je maksimalno iskorištena Torzija : materijal oko osi profila je malo napregnut za torziju su pogodniji šuplji profili materijal treba koncentrirati po obodu gdje su naprezanja najveća uštede na težini Savijanje : materijal oko neutralne ravnine je malo napregnut; najveća naprezanja su u području najudaljenijem od neutralne osi materijal treba tamo koncentrirati (I profili). *22. Kako moraju biti oblikovana mjesta promjene oblika radi smanjenja koncentracije naprezanja? blagi prijelazi, nema oštrih kuteva, veći polumjeri zaobljenja, uvođenje žljebova radi rasterećenja 23. Geometrijski faktor koncentracije naprezanja αk; formula. Omjer najvećeg lokalnog naprezanja max i nazivnog naprezanja n = F/A, koje je sada samo fiktivna veličina i u pravilu se računa za najmanji presjek na mjestu geometrijskog diskontinuiteta, naziva se geometrijski faktor koncentracije naprezanja (faktor oblika):
*24. Koji su oblici poprečnog presjeka u smislu uštede materijala najpovoljniji pri savijanju, odnosno torziji? za torziju prstenasti profili jer je naprezanje najveće na obodu pa tamo treba pojačati materijal, a za savijanje i profili jer su izduženi, a kod savijanja što je dio vise udaljen od neutralne osi to je opterećen na veće naprezanje.
POLIMERNI MATERIJALI 25. Osnovna dobra svojstva i nedostaci
Umjetni organski polimerni materijali imaju nižu gustoću, čvrstoću i modul elastičnosti nego metali i mogu se koristiti pri manjem rasponu temperatura. Svojstva im jako ovise o temperaturi. Lake su, otporne na koroziju i habanje, prigušuju zvuk i vibracije, lako se obrađuju i električni su izolator. Većinom slabo podnose toplinu, naginju puzanju i starenju. 26. Karakteristična svojstva plastomera, duromera i elastomera Termoplasti imaju svojstva koja jako ovise o temperaturi, lako se tale i zavaruju. Duroplasti se ne omekšavaju kod povišene temperature, ne mogu se taliti niti zavarivati. Elastomeri imaju elastično-plastično ponašanje, slično kaučuku. 27. Nabrojati barem tri konstrukcijska polimera s njihovim kraticama Polivinilklorid PVC, Politetrafluoretilen (Teflon) PTFE, Poliamid PA, Poliuretan PUR. 28. Sekantni modul ES; formula Sekantni modul elastičnosti predstavlja omjer naprezanja i pripadne deformacije u željenoj točki naponsko-deformacijske krivulje. 29. Utjecaji na mehanička svojstva polimera *kako bi im se poboljšala svojstva dodaju im se razna punila ..talk,kalcijev karbonat,čađa,razni vlaknasti materijali
KRITERIJI ZA ODREĐIVANJE IZMJERA KONSTRUKCIJSKIH ELEMENATA (kriterij čvrstoće – naprezanje ne smije bit veće od dopuštenog; kriterij krutosti (deformacija); kriterij stabilnosti (doživi izvijanje))
VRSTE OPTEREĆENJA I NAPREZANJA S OBZIROM NA PROMJENLJIVOST TIJEKOM VREMENA 30. Statičko i dinamičko naprezanje ..vrste opterećenja s obzirom na vrijeme. Statičko (mirujuće) opterećenje: konstr. element se optereti, a opterećenje tijekom vremena ostaje nepromjenljivo statičko naprezanje u elementu Dinamičko opterećenje: Opterećenje (naprezanje) se tijekom vremena mijenja po veličini i/ili smjeru. Dinamičko naprezanje:
Ako je element u radnom vijeku doživio relativno mali broj promjena statički opterećen. Granica između statičkog i dinamičkog opterećenja je (ovisno o opterećenju i materijalu) na ~ 10 ÷ 10000 promjena
31. Osnovne formule za σm, σ a i κ. Statička komponenta naprezanja (srednje naprezanje): Dinamička komponenta naprezanja (amplituda nepovoljnija velika amplituda): Faktor asimetrije naprezanja (određuje karakter dinamičkog naprezanja):
naprezanja– za isti σ max, za element je
*izrazi vrijede i za tangencijalna naprezanja (σ τ)
32. Ishodišno i izmjenično dinamičko naprezanje: dijagrami i odgovarajuće vrijednosti faktora asimetrije κ Čisto pulzirajuće dinamičko naprezanje: σmin = 0 (sinusoida ide od 0, ishodišta) -> ishodišno din. naprezanje: Srednje naprezanje:
Faktor asimetrije:
σm= κ=
σmax =σ a 2
σm>0
σmin 0 = =0 σmax σmax
Javlja se kod klipnih motora na klackalicama za otvaranje ventila koje su opterećene savijanjem uvijek na istu stranu, naprezanje varira između nule i neke najveće vrijednosti.
Opći slučaj izmjeničnog dinamičkog naprezanja: Opterećenje se ne mijenja samo po veličini, nego i po smjeru (predznaku). Najmanje naprezanje σmin < 0, najveće σmax > 0, srednje naprezanje σm > 0, Faktor asimetrije naprezanja −1 < κ < 0 (negativna vrijednost). Primjer: torzija na izlazu koljenastog vratila iz četverocilindričnog dvotaktnog motora:
STATIČKO OPTEREĆENJE 33. Statički lom, izgled površine Javlja se već kod kratkotrajnih preopterećenja u slučaju kad je: - normalno naprezanje σ veće od vlačne čvrstoće Rm ili granice čvrstoće pri savijanju Rms - tangencijalno naprezanje
τ
veće od granice čvrstoće pri tangencijalnom naprezanju, tj. torziji Rmt
- ekvivalentno naprezanje σe veće od vlačne čvrstoće Rm ili granice čvrstoće pri savijanju Rms. Kada kod statičkog vlačnog opterećenja naprezanje u ispitnoj epruveti dosegne vlačnu čvrstoću Rm, dolazi do suženja presjeka, nakon čega nastupa statički lom; prijelomna površina je nepravilnog oblika i hrapava, a zrnata struktura joj, ovisno o materijalu, može imati razne finoće. 34. Koncentracija naprezanja pri statičkom opterećenju; kod koje vrste materijala ju treba uzeti u obzir? Žilavi materijali Koncentraciju naprezanja kod statički opterećenih KE izrađenih od žilavih materijala ne treba uzimati u obzir, pa se može računati s nazivnim naprezanjem σn Krhki nehomogeni materijali (SL) koncentraciju ne treba računati u obzir; σn Krhki homogeni materijali (visokokvalitetni toplinski obrađeni čelik za opruge, staklo): statički opterećeni KE izrađeni od krhkih homogenih materijala osjetljivi su na koncentraciju naprezanja. To treba uzeti u obzir s geometrijskim faktorom koncentracije naprezanja αk i računati sa stvarnim naprezanjima. U suprotnom treba usvojiti veći faktor sigurnosti.
35. Dopuštena naprezanja pri vlačnom statičkom opterećenju, formule a) Žilavi materijali (čelici, legirani čelici, aluminij i njegove legure, mjed, lake kovine,..) : Mjerodavna veličina za proračun dopuštenih naprezanja je granica tečenja Re (Rp0,2), tj. kritičnim se stanjem smatra pojava trajnih plastičnih deformacija; za vlačno opterećenje: Faktor sigurnosti (faktor neznanja) se usvaja u granicama = 1,2 ... 2. b) Krhki materijali (sivi lijev, neke vrste drveta, staklo, …): Mjerodavna veličina za proračun dopuštenih naprezanja je granica čvrstoće Rm, tj. kritičnim se stanjem smatra pojava loma koji nastupa čim se izađe iz područja elastičnih deformacija; za vlačno opterećenje: Faktor sigurnosti se usvaja u granicama = 1,5 ... 2,5 (…4).
Manji faktor sigurnosti: ukoliko dobro poznajemo vanjska opterećenja i ukoliko pojava nedopuštenih plastičnih deformacija ili loma ne uzrokuju veliku štetu i opasnost po ljude i okolinu. U suprotnom: veći faktor sigurnosti.
36. Izbor faktora sigurnosti Manji faktor sigurnosti: ukoliko dobro poznajemo vanjska opterećenja i ukoliko pojava nedopuštenih plastičnih deformacija ili loma (općenito: oštećenja konstrukcijskog elementa) ne uzrokuju veliku štetu i opasnost po ljude i okolinu. U suprotnom: veći faktor sigurnosti. S porastom temperature opada čvrstoća materijala, tj. smanjuju se vrijednosti Re, Rp0,2 i Rm (kod čelika se čvrstoća smanjuje i do dva puta kod temperatura viših od 300 ... 400 °C) - ako je element izložen povišenim temperaturama, treba računati i sa dvostruko većim faktorima sigurnosti. Kod niskih temperatura se smanjuje žilavost mnogih materijala, pa raste opasnost od krhkog loma konstrukcijskog dijela; ovo se proračunom ne može obuhvatiti nego konstruktor treba materijal ispitati ili koristiti tuda znanja.
DINAMIČKO OPTEREĆENJE 37. Zamor materijala, zamorni lom, izgled površine Izdržljivost materijala pri din. opterećenju je niža nego pri statičkom -> lomovi se javljaju pri naprezanju koje je znatno manje od granice čvrstoće Rm, pa i od granice tečenja Re (Rp0,2) i nastupaju nakon nekog dovoljno velikog broja promjena opterećenja; takvi se lomovi razlikuju od statičkih i nazivaju se zamornim (dinamičkim) lomovima. Na površini konstrukcijskog elementa na mjestima mikrogeometrijskih nepravilnosti i/ili nehomogenosti materijala dolazi do jakih lokalnih porasta naprezanja što zbog dinamičkog karaktera opterećenja dovodi postupno do tzv. zamora materijala ,na tim mjestima poraste granica tečenja Re i približi se granici čvrstoće Rm, tj. poveća se krhkost materijala dolazi do stvaranja pukotina mikroskopske veličine koje se postupno šire, smanjuje se površina preostalog presjeka koji nosi opterećenje.
Površina koja je nastala polaganim širenjem pukotine glatka je i sjajna, a površina nasilnog loma je nepravilna i hrapava; (prije samog zamornog loma ne javlja se plastična def.). Ako tijekom eksploatacije dolazi do dužih prekida opterećivanja, na glatkoj prijelomnoj površini mogu se uočiti linije odmora koje mogu biti i posljedica promijenjenog režima rada, tj. opterećenja.
38. Wöhlerov dijagram, trajna dinamička čvrstoća Rd Ispitivanja čvrstoće dinamički opterećenih dijelova započeo je August Wöhler. Kod statičkog opterećenja (N = 1) do loma dolazi kad je naprezanje jednako vlačnoj čvrstoći Rm. Ako se ispitna epruveta podvrgne vlačnom dinamičkom naprezanju σd1 koje je manje od Rm, nakon određenog broja promjena opterećenja (ciklusa) N1 nastupit ce
zamorni lom,pokus se ponavlja s jednakim epruvetama, ali sa sve manjim naprezanjima σ d2, σd3 , … - broj ciklusa N2, N3, … kod kojega dolazi do zamornog loma bit ce sve veći. Kod nekog graničnog broja ciklusa Ng i dovoljno malog naprezanja, lom više nede nastupiti to naprezanje se naziva trajna dinamička čvrstoda Rd. Trajna dinamička čvrstoća Rd je najveće dinamičko naprezanje koje materijal može podnijeti pri neograničenom broju ciklusa N, a da ne dođe do loma. Wöhlerov dijagram: prikazana je ovisnost naprezanja i broja ciklusa koji epruveta od određenog materijala može izdržati 39. Smithov dijagram Već je rečeno da se dinamičko naprezanje može prikazati kao zbroj srednjeg naprezanja σm (statičke komponente) i amplitude naprezanja ±σa (dinamičke komponente): Analogno tome, trajna dinamička čvrstoća Rd ce biti jednaka zbroju srednjeg naprezanja σm i amplitude dinamičke čvrstoće ±Ra za to srednje naprezanje: Gornja granica trajne dinamičke čvrstoće RdG (najveće naprezanje koje materijal dinamički opterećenog KE može izdržati): Donja granica dinamičke čvrstoće RdD (najmanje naprezanje..): Apscisa: srednje naprezanje σm (ili τm). Ordinata: naprezanja i trajne dinamičke čvrstoće materijala
40. Koncentracija naprezanja pri dinamičkom opterećenju Na mjestima najveće koncentracije naprezanja dolazi u ovom slučaju do zamora materijala i stvaranja mikroskopskih pukotina koje same za sebe predstavljaju nove koncentratore naprezanja. Pukotine imaju onda tendenciju širenja, što može dovesti do zamornog loma Proračun koncentracije naprezanja kod dinamički opterećenih konstrukcijskih elemenata ima prvorazrednu važnost. 41. Efektivni faktor koncentracije naprezanja βk ; formula po Thumu βk se određuje eksperimentalno i definira se kao omjer trajne izmjenične dinamičke čvrstoće glatke ispitne epruvete Rd-1 i trajne izmjenične dinamičke čvrstoće probne epruvete s koncentratorom naprezanja (zarezom) Rd-1k (obje epruvete moraju biti istog promjera (10 mm), iste obrade (polirane) i podvrgnute istom opterećenju - vlaku/tlaku, savijanju ili torziji): - zavisi o obliku, veličini zareza i vrsti opterećenja, dakle zavisi o geometrijskom faktoru koncentracije naprezanja αk. - zavisi i o materijalu
42. Faktor osjetljivosti materijala na koncentraciju naprezanja ηk
Utjecaj materijala je obuhvaćen faktorom osjetljivosti materijala na koncentraciju naprezanja ηk veza između αk i βk
43. Dopušteno naprezanje kod prethodnog i konačnog (kontrolnog) proračuna, formule U prethodnom (približnom) proračunu dinamički opterećenih dijelova (grubo određivanje izmjera): dopušteno naprezanje se dobije dijeljenjem trajne dinamičke čvrstoće Rd s faktorom sigurnosti d: Rd: iz Smithovih dijagrama ili tablica; d = 3 ... 4 (10)
Kad je poznat točan izgled konstrukcijskog elementa, pristupa se konačnom (kontrolnom) proračunu gdje se dopušteno naprezanje može odrediti kao: Budući da se u obzir uzimaju i drugi utjecaji na dinamičku čvrstoću, tj. na dopušteno naprezanje, d može biti manji (1,2 …2)
44. Utjecajni faktori na dopušteno naprezanje: b1, b2, b3, βk a) Utjecaj površinske hrapavosti b1: Konstrukcijski element ima grublju obradu –veća površinska hrapavost (niz malih zareza) Zarezi lokalni porast naprezanja mikro pukotine dinamički opterećeni dijelovi trebaju biti fino obrađeni da bi utjecaj hrapavosti na čvrstoću bio što manji. Materijali veće čvrstoće su osjetljiviji na koncentraciju naprezanja faktor b1 (<= 1) je tu manji. Za vrlo grube površine nakon kovanja ili lijevanja faktor b1 može imati vrijednost i manju od 0,5!
–
b) Utjecaj veličine konstrukcijskog elementa b2: Veći elementi imaju manji faktor b2, tj. manje dopušteno naprezanje. Elementi manjih izmjera imaju veću dinamičku čvrstoću stoga što imaju homogeniji sastav materijala i relativno manje neispravnih mjesta (uključaka, šupljina, …). Trebalo bi se računati s najvećom vrijednošću b2 = 1, ali, i ako se računa sa b2 < 1, neće se činiti velika greška jer ce proračun biti na strani sigurnosti. - za proračun osim veličine uzimamo u obzir i vrstu materijala i faktor konc. naprezanja c) Utjecaj režima rada b3: Dinamička čvrstoća ispitne epruvete određena je pri stalnom maksimalnom opterećenju. Utjecaj režima rada kod proračuna u području vremenske dinamičke čvrstoće uzima se u obzir faktorom b3. Kod lakšeg režima rada trajnost elementa ce biti veća. Vrijedi i obrnuti zaključak: za željenu trajnost se kod lakšeg režima rada može dopustiti veće dinamičko naprezanje. Ako procjena težine režima rada nije moguća, uzima se b3=1. 45. Bachov faktor korekcije αo Kod dinamički složeno napregnutih konstrukcijskih elemenata pojedina opterećenja tijekom vremena ne doživljavaju jednake promjene(τt bi morali računati u odnosu na trajnu ishodišnu dinamičku čvrstoću pri torziji R dt0, a σs u odnosu na trajnu izmjeničnu dinamičku čvrstoću pri savijanju Rds-1) -da bi se sve promjene obuhvatile u izraz za ekvivalentno naprezanje uvrštavamo α o - αo uzima u obzir nejednaku promjenjivost pojedinih djelujućih opterećenja tijekom vremena →ako ne želimo proračunavati α0 za pojedini materijal imamo dane u tablici približne vrijednosti 46. Trajna dinamička čvrstoća stvarnog konstrukcijskog elementa Dopušteno naprezanje kod dinamičkih opterećenja: Rd - trajna dinamička čvrstoća ispitne epruvete koja nije jednaka trajnoj dinamičkoj čvrstoći stvarno izvedenog KE - nju ćemo dobiti ako u obzir uzmemo utjecaje koji smanjuju din. čvrstoću obuhvaćene faktorima b1, b2 i βk (b3 odnosi samo na vremensku din. čvrstoću) Trajna dinamička čvrstoća stvarnog konstrukcijskog elementa određenog oblika:
47. Načini povećanja dinamičke čvrstoće. a) Kvalitetnom površinskom obradom – faktorom b1 -mjesta javljanja najvećih naprezanja treba što bolje površinski obraditi (poliranje, brušenje..) - finija obrada→manja hrapavost→veći faktor b1 (veća dinamička čvrstoća) b) Minimalnim izmjerama – faktorom b2 -manje izmjere → veći faktor b2 → veća dinamička čvrstoća -težnja u strojarstvu → konstrukcije što manje, kompaktnije i lakše c) Oblikom koji smanjuje koncentraciju naprezanja – faktorom βk -koncentratori naprezanja (zarezi) moraju biti takvog oblika da smanjuju koncentraciju naprezanja -zarezna mjesta trebaju biti prilagođena toku silnica sa što manjom dubinom i što većim polumjerom zaobljenja (fluidodinamička sličnost!) Da bi se nekom zarezu smanjila koncentracija naprezanja kraj njega se mogu izvesti → zarezi za rasterećenje → dinamička čvrstoća se može povećati do 10 % d) Stvaranjem vlastitih tlačnih naprezanja u površinskom sloju: → kod zamornog loma pukotine nastaju na vlačno opterećenoj površini → vlačno naprezanje na površini treba smanjiti → u površinskom sloju pokušaju se proizvesti tlačna naprezanja, odbijaju se od vlačnih i dolazi do smanjenja vlačnih naprezanja →materijal bolje podnosi tlačna od vlačnih opterećenja
