Упругое упрочнение конструкций

Упругое упрочнение конструкции

При упругом упрочнении конструкции заранее придают деформации, противоположные деформациям при рабочем нагружении. Классическим примером этого способа упрочнения являются шпренгельные балки (рис. 270, а). В систему вводят тензоры 1 — стержни из высокопрочного материала. Натягивая стержни, в балке создают предварительные напряжения (рис. 270, б) на стороне, ближайшей к стержням, — напряжения сжатия (—), а на противоположной стороне — напряжения растяжения (+). Приложение рабочей нагрузки Рраб вызывает напряжения обратного знака (рис. 270, в). Сложение предварительных и рабочих напряжений существенно уменьшает конечные напряжения в балке (рис. 270, г). Напряжения растяжения в стержнях возрастают.

Освоено производство предварительно напряженных балок. В полку, противоположную действию нагрузки (рис. 270, д), закатывают стержни из высокопрочной проволоки, предварительно напряженные механически или термически (нагревом). Такие балки можно без нарушения преднатяга резать на куски произвольной длины.

Преднапряженные балки

В конструкции на рис. 270, е к нижней полке прикреплена предварительно напряженная накладка из высокопрочной листовой стали. К стальным балкам накладки приваривают, к балкам из легких сплавов приклепывают.

Другой пример упругого упрочнения — скрепление резервуаров, выполненных из легких сплавов, путем намотки стальной проволоки (или ленты) в один или несколько рядов (рис. 271, ав). При намотке в стенках сосуда создаются напряжения сжатия (г), которые, вычитаясь из напряжений растяжения, возникающих под действием внутреннего давления (д), значительно уменьшают конечные напряжения в стенках сосуда (е). Напряжения растяжения в проволоке при приложении внутреннего давления возрастают.

Скрепление резервуаров

При известных соотношениях напряжения в стенках сосуда под рабочей нагрузкой могут быть равны нулю или даже сохранять отрицательный знак. Стенки сосуда будут в этом случае испытывать под нагрузкой напряжения сжатия, уменьшенные по сравнению с напряжениями, созданными при скреплении. Подобные системы имеют смысл только в том случае, если материал скрепляющих элементов прочнее материала скрепляемых деталей. Создание предварительного напряжения позволяет разгрузить слабый материал и делает конструкцию в целом более прочной.

В качестве упрочняющих элементов применяют холоднотянутую проволоку и прутки, а также холоднокатаную ленту малых сечений, обладающие значительно более высокой прочностью, чем массивные горячекатаные профили (σв = 2500—3000 МПа; σ0,2 = 2000—2500 МПа для проволоки и лент из среднеуглеродистых сталей).

Разновидностью упругого упрочнения является скрепление полых толстостенных цилиндрических деталей, подверженных действию высокого внутреннего давления. В данном случае не обязательно, чтобы скрепляющие элементы превосходили по прочности скрепляемые; эффект упрочнения здесь основан на своеобразном распределении напряжений по сечению детали.

Скрепление труб

В толстостенном сосуде, подвергающемся действию внутреннего давления, напряжения по Ламе максимально на внутренней поверхности стенки и падает к наружной (рис. 272, а). С целью упрочнения деталь изготовляют из двух труб; внутреннюю запрессовывают в наружную трубу с большим натягом. В наружной трубе возникают напряжения растяжения, а во внутренней — напряжения сжатия (рис. 272, б). В результате сложения предварительно возбужденных напряжений с рабочими (рис. 272, в) пик растягивающих напряжений у внутренней стенки уменьшается (рис. 272, г), напряжения по сечению выравниваются, и прочность конструкции возрастает.