Температурные напряжения в стержне со свободным торцом

Из-за поперечных связей волокон в отсутствии бандажа в правой концевой области стержня возникнут касательные напряжения, действующие в направлении выравнивания деформаций (рис. 6.3, а). По мере удаления от торца и выравнивания деформаций касательные напряжения будут уменьшаться. На расстоянии порядка максимального размера сечения H деформации будут практически одинаковыми и, следовательно, возникнут скрытые деформации волокон. Нормальные напряжения, отсутствующие на свободной торцевой поверхности, при удалении от нее увеличиваются по мере нарастания скрытых деформаций (рис. 6.3, б). По сутиконцевая область размером Н´Н, в соответствии с принципом Сен-Венана, выполняет ту же роль, что и пластина-бандаж в предыдущем примере. За пределами концевой зоны картина температурных напряжений не отличается от предыдущего примера: в горячих волокнах возникают температурные напряжения сжатия, в холодных - растяжения.

Примечание. Принцип Сен-Венана состоит в следующем. На удалении от участка поверхности, порядка наибольшего линейного размера участка, особенности распределения нагрузки в пределах этого участка несущественны, важна только величина равнодействующего усилия. В рассматриваемом случае равнодействующее усилие на торце стержня равно нулю, как и в предшествующем случае бандажированного стержня.

Принцип Сен-Венана указывает не точную величину расстояния, на котором не сказываются отличия в распределении нагрузок, а лишь порядок ее порядок.

6.5 Температурные напряжения на нестационарных режимах

При нагреве деталей в газовом потоке или иным образом изменение температуры в разных точках детали происходит с разной скоростью. В детали возникают неравномерное температурное поле и, как следует из предшествующих примеров, температурные напряжения. При запуске и остановке двигателя в подобных условиях оказываются многие детали: жаровые трубы камер сгорания, сопловые и рабочие лопатки, диски и корпуса турбин, сопла и др. В технической литературе это явление иногда называют термоударом.

Для изучения поведения материалов в условиях термоудара на специальных установках проводят их испытания на кратковременную термическую прочность. Образец материала в виде стержня ромбовидного сечения 1 качалкой 2 вносится последовательно в газовый поток керосиновой горелки 3 и поток холодного воздуха 4 (рис. 6.5, а). В процессе нагрева острые передняя и задняя кромки (точки А и В) нагреваются быстрее, чем более массивная средняя часть сечения (точка С). В сечении образца на линии АСВ образуется симметричный профиль температуры. Разность температур по сечению в определенный момент времени достигает максимума, затем уменьшается (рис. 6.5, б). По истечении некоторого времени в образце устанавливается стационарный режим с равномерно прогретым сечением.

В образце возникают температурные напряжения сжатия в более нагретых передней и задней кромках и растяжения в средней части сечения. В момент максимума разности температур температурные напряжения имеют максимальные по модулю значения. На стационарном режиме температурные напряжения исчезают. При охлаждении в потоке холодного воздуха острые кромки остывают быстрее, чем середина образца, и в них возникают температурные напряжения растяжения, а в середине образца - сжатия (рис. 6.5, в).

Значительные температурные напряжения приводят к искривлению кромок и разрушению образца. Образцы из керамических материалов чаще разрушаются в процессе охлаждения, когда в кромках возникают значительные температурные напряжения растяжения. Это вызвано тем, что предел прочности при растяжении у таких материалов значительно меньше предела прочности при сжатии.

Дата добавления: 2015-08-26