Koneenosien lujuuslaskenta

Samankaltaiset tiedostot
Vauriomekanismi: Väsyminen

2 LUJUUSOPIN PERUSKÄSITTEET Suoran sauvan veto tai puristus Jännityksen ja venymän välinen yhteys 34

Murtumismekanismit: Väsyminen

LUJUUSHYPOTEESIT, YLEISTÄ

Pienahitsien materiaalikerroin w

10. Jännitysten ja muodonmuutosten yhteys; vaurioteoriat

KON-C3002. Tribologia. Kosketusjännitykset

Hitsaustekniikkaa suunnittelijoille koulutuspäivä Hitsattujen rakenteiden lujuustarkastelu Tatu Westerholm

2 LUJUUSOPIN PERUSKÄSITTEET Suoran sauvan veto tai puristus Jännityksen ja venymän välinen yhteys

Valetun valukappaleelle on asetettu usein erilaisia mekaanisia ominaisuuksia, joita mitataan aineenkoestuksella.

Vaurioiden tyypilliset syyt

Tuukka Yrttimaa. Vaurioituminen. Sitkeä- ja haurasmurtuma. Brittle and Ductile Fracture

SISÄLTÖ 1. Veto-puristuskoe 2. Jännitys-venymäpiirros 3. Sitkeitten ja hauraitten materiaalien jännitysvenymäkäyttäytyminen

VÄSYMISMITOITUS Pasila. Antti Silvennoinen, WSP Finland

PUHDAS, SUORA TAIVUTUS

Laskuharjoitus 2 Ratkaisut

Vaatimukset. Rakenne. Materiaalit ja niiden ominaisuudet. Timo Kiesi

KUPARISAUVOJEN KOVUUS-, VETO-, JA VÄSYTYSKOKEET ANU VÄISÄNEN, JARMO MÄKIKANGAS, MARKKU KESKITALO, JARI OJALA

Ultralujien terästen käyttö dynaamisesti kuormitetuissa koneen rakenteissa

Ratkaisut 3. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

VÄSYMINEN, TAUSTAA. Lopullinen äkillinen murtuminen. Särön kasvun edettyä tarpeeksi pitkälle tapahtuu staattinen murtuminen.

Väsymissärön ydintyminen

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta LUT Metalli Konetekniikan koulutusohjelma KESTOMAGNEETTIKONEEN ROOTTORIN VÄSYMISANALYYSI

Väsyminen. Amanda Grannas

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

Murtumismekaniikka III LEFM => EPFM

MEKAANINEN AINEENKOETUS

TERÄKSEN KÄYTTÄYTYMINEN ÄÄRIOLOSUHTEISSA.

JÄNNEVIRRAN SILLAN VÄSYMISMITOITUS MITATULLA LIIKENNEKUORMALLA

Terän kiinnittimen kehitys

Liite A : Kuvat. Kuva 1.1: Periaatekuva CLIC-kiihdyttimestä. [ 1 ]

Kon Luento 12 -Säteilyhaurastuminen -Mikrorakenteen vaikutus murtumiseen -Yhteenveto -CASE: Murtumismekanismien yhteisvaikutukset

A on sauvan akselia vastaan kohtisuoran leikkauspinnan ala.

TAVOITTEET Määrittää taivutuksen normaalijännitykset Miten määritetään leikkaus- ja taivutusmomenttijakaumat

7. Ruuviliitokset 14.7

Testaus ja suunnittelu. Heikki Lagus

Vaasan ammattikorkeakoulu, University of Applied Sciences Publications OTHER PUBLICATIONS C10

TIESILTOJEN VÄSYTYSKUORMAT

Oheismateriaalin käyttö EI sallittua, mutta laskimen käyttö on sallittua Vastaukset tehtäväpaperiin, joka PALAUTETTAVA (vaikka vastaamattomana)!

RKL-, R2KL- ja R3KLkiinnityslevyt

Luentojen viikko-ohjelma

Polarputki kumppanina takaa korkean laadun pyöröteräsvalinnoissa Polarputki on toimittanut pyöröteräksiä suomalaisille

Nostureita on monenlaisia, akseleista puhumattakaan. Uddeholmin teräkset akseleihin

Laskuharjoitus 1 Ratkaisut

KANSALLINEN LIITE (LVM) SFS-EN TERÄSRAKENTEIDEN SUUNNITTELU Sillat LIIKENNE- JA VIESTINTÄMINISTERIÖ

Vapaataontapuristimien puristusvoima on 80/100, 55 ja 20 meganewtonia. Niillä voidaan takoa jopa 160 tonnin painoisia kappaleita.

Murtumismekaniikka II. Transitiokäyttäytyminen ja haurasmurtuma

POIKKILEIKKAUSTEN MITOITUS

SIPOREX-HARKKOSEINÄÄN TUKEUTUVIEN TERÄSPALKKIEN SUUNNITTELUOHJE

Harjoitus 10. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

LUJUUSOPPI. TF00BN90 5op. Sisältö:

2. harjoitus - malliratkaisut Tehtävä 3. Tasojännitystilassa olevan kappaleen kaksiakselista rasitustilaa käytetään usein materiaalimalleissa esiintyv

Murtumissitkeyden arvioimisen ongelmia

BK20A2100 Konstruktiomateriaalit Luennot / syksy 2012 TkT Harri Eskelinen. LUENTO 1 Kertausluento A 2012

BK10A3500 Materiaalitekniikka

RAKENNUS- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN OSASTO

Akselin ja navan liitokset

Ultralujien terästen hitsausliitosten väsymislujuus

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 05: FEM-analyysista saatavat tulokset ja niiden käyttö.

Ruuviliitokset. Etuja. Pahimmat haitat ovat

Oheismateriaalin käyttö EI sallittua, mutta laskimen käyttö on sallittua Vastaukset tehtäväpaperiin, joka PALAUTETTAVA (vaikka vastaamattomana)!

Mekaaniset ominaisuudet

Mitoitetaan MäkeläAlu Oy:n materiaalivaraston kaksiaukkoinen hyllypalkki.

Tartuntakierteiden veto- ja leikkauskapasiteettien

Vastaanotettu Hyväksytty Julkaistu verkossa

T Puurakenteet 1 5 op

Aksiaalisella tai suoralla leikkauksella kuormitettujen rakenneosien lujuusopillinen analyysi ja suunnittelu

Esimerkkilaskelma. Palkin vahvistettu reikä

Betonin lujuus ja rakenteiden kantavuus. Betoniteollisuuden kesäkokous Hämeenlinna prof. Anssi Laaksonen

Ultralujat rakenne- ja kulutusteräkset - tärkeimmät ominaisuudet suunnittelulle

8. Yhdistetyt rasitukset

Raerajalujittuminen LPK / Oulun yliopisto

Kerto-Tyyppihyväksynnät. Toukokuu 2001

RAK-C3004 Rakentamisen tekniikat

vakioteräsosat rakmk:n Mukainen suunnittelu

Stalatube Oy. P u t k i k a n n a k k e e n m a s s o j e n v e r t a i l u. Laskentaraportti

semtu DEMU 2000 HARJATERÄSJATKOS KÄYTTÖ- ja SUUNNITTELUOHJE

Ruuviliitoksen lujuus

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

MYNTINSYRJÄN JALKAPALLOHALLI

Murtumismekaniikka. Jussi Tamminen

Kyntöauran rakenteiden kehittäminen mitatun kuormitusaineiston perusteella

Eurokoodien mukainen suunnittelu

WSX445 KEVYTTÄ KONEISTUSTA UUDEN SUKUPOLVEN TASOJYRSIMELLÄ KAKSIPUOLEISILLA KÄÄNTÖTERILLÄ

Miksi vaurioita I. Triviaaliselitykset eivät riitä estämään vaurioita jotka voitaisiin estää nykytiedolla II. Syvempikin vaurioanalyysi jää tyypillise

PETRI KOSKELA KUPARISEN VIRRANKERÄYSNAUHAN VÄSYMISKESTÄVYYS. Diplomityö

LUENTO 2 Kuormat, rungon jäykistäminen ja rakennesuunnittelu

Torpparin alikulkusilta - Suuriläpimittaisen teräsputkisillan pilotti radan alle Karjaalla. TRY Olli Asp

Lapin alueen yritysten uudet teräsmateriaalit Raimo Ruoppa

Juho Kurtti TUULITURBIINIVAIHTEEN VÄSYMIS- LASKENTA KONSEPTIVAIHEESSA

Harjoitus 1. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa [a), b)] ja laske c) kohdan tehtävä.

Analysoidaan lämpöjännitysten, jännityskeskittymien, plastisten muodonmuutosten ja jäännösjännityksien vaikutus

DEMU 2000 HARJATERÄSJATKOS KÄYTTÖ- ja SUUNNITTELUOHJE Käyttöseloste nro BY25

Hiukkaskoko maks. 50 µm. Mäntään kohdistuvan voiman mittapaine 6,3 bar

Tuotelehdet löytyvät myös varsinaiselta sivustoltamme kyseisten teräslajien muiden tuotetietojen yhteydestä.

RAEX KAIKKINA AIKOINA KAIKKIIN OLOSUHTEISIIN

EUROKOODISEMINAARI 2016 BETONI- JA BETONI-TERÄS-LIITTORAKENTEITA KOSKEVAT OHJEET

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Konetekniikan koulutusohjelma BK10A0401 Kandidaatintyö ja seminaari

WSX445. Uuden sukupolven tasojyrsimellä kaksipuoleisilla kääntöterillä

Materiaalinkoestuslaboratorio

Transkriptio:

Koneenosien lujuuslaskenta Tavoitteet Koneiden luotettavuuden parantaminen Materiaalin säästö Rakenteiden keventäminen Ongelmat Todellisen kuormituksen selvittäminen Moniakselinen jännitys ja muodonmuutos Dynaaminen kuormitus Materiaalien käyttäytyminen Käyttövirheet Materiaali- ja valmistusviat

Koneenosien lujuuslaskenta Rakenteiden kuormituslajit Staattinen lujuus Väsymislujuus Väsymisrajaan perustuva mitoitus Pinnan laatu Rakenneosan koko Lovivaikutus Varmuusluku Luotettavuus Smithin väsymispiirros Kumulatiivinen vaurioteoria

Äärelliseen kestoikään perustuva mitoitus Nimellisjännitysten menetelmä Hot Spot -menetelmä Paikallisen venymän menetelmä (SAE) Kosketusjännitykset Hertzin kosketusjännitykset Stribeckin vierintäpaine Pinnan alapuoliset jännitykset kosketuskohdassa

Lujuuslaskenta varmentaa rakenteelle annetut dimensiot siten, että saavutetaan riittävä käyttövarmuus

Peruskuormitukset ajan funktiona muuttuvia normaalivoimia, leikkausvoimia ja momentteja, jotka kulloisessakin tarkastelukohdassa vaikuttavat veto- puristus, taivutus- ja vääntörasituksina Dynaamisia kuormituksia

Jaksollinen jännitys m keskijännitys a jännitysamplitudi 2 a jännityksen vaihteluväli max, min rajajännitykset

Rakennesuunnittelussa on pyrittävä siihen, että tuotteet ovat yksikäsitteisiä, yksinkertaisia ja varmoja rasitukset tasapainottuvat lyhintä tietä

Sallitut jännitykset Suunnittelija voi käyttää mitoituksessa sallittuja jännityksiä sall, jotka määritellään eräiden tuotteiden standardeissa Rakenteen kriittiseksi jännitykseksi voidaan valita murtolujuus myötöraja nurjahduslujuus väsymislujuus pintapaine jne

Murtumishypoteesit Monimutkainen taso- tai avaruusjännitystila muutetaan yksiakseliseksi, jotta sitä voitaisiin verrata laboratoriotesteissä saatuihin materiaalin lujuusarvoihin Väsytyskuormituksessa vertailupohjana on materiaalin väsymislujuusarvot, missä pinnanlaadulla, koolla ja lovivaikutuksella on tärkeä merkitys Useimmille sitkeille aineille (esim. teräs) soveltuu parhaiten vakiovääristymisenergiahypoteesi (VVEH, von Mises) Sitkeille metalleille soveltuu myös maksimileikkausjännityshypoteesi (MLJH, Tresca) Hauraille aineille (suomugrafiittirauta, karkaistut työkaluteräkset, keraamit) soveltuu parhaiten maksimipääjännityshypoteesi (MPJH)

Tavalliset rasitusyhdistelmät Sitkeille aineille VVEH:n mukaan lasketut vertailujännitykset pitävät erityisen hyvin paikkansa, kun rasitustilana on yhdistetty taivutus ja vääntö (esim. akselit) Normaali- ja leikkausjännityksen vaikuttaessa samanaikaisesti tullaan seuraaviin vertailujännityksen yhtälöihin vert vert 2 2 3 VVEH 2 2 4 MLJH 1 2 2 vert 4 2 MPJH

Staattinen kuormitus Vertailulujuutena (kriittisenä jännityksenä) käytetään materiaalien myötö- tai murtolujuutta (R e, R m ) Jännityksen jakaantuessa epätasaisesti (esim. lovivaikutus) voidaan tietyin ehdoin sallia myötämistä Materiaalin taivutus-, leikkaus- ja puristuslujuudet voidaan hyvällä tarkkuudella arvioida kertoimilla sallitusta vetojännityksestä Sitkeiden aineiden staattisissa kuormituksissa lovivaikutusta ei yleensä oteta huomioon Haurailla aineilla lovivaikutus otetaan huomioon

Varmuusluku staattisella kuormituksella Sitkeä aine lovivaikutusta ei tarvitse ottaa huomioon vert sall R e n Yleensä n = 1,2...2. Hauras aine vert m R n Yleensä n = 2...4.

Sallittujen jännitysten likiarvoja vsall = sallittu vetojännitys Kuormituslaji Teräs Valuteräs Cu-seos Alumiini Al-seos Valurauta Valkoinen adusoitu valurauta Musta adusoitu valurauta Puristus psall vsall 1,2 vsall 2,5 vsall 1,5 vsall 2,5 vsall Leikkaus lsall 0,8 vsall 0,8 vsall 1,2 vsall 1,2 vsall 1,2 vsall Vääntö vsall 0,65 vsall 0,7 vsall Taivutus tsall vsall vsall vsall vsall vsall (Taulukko 1.3-1)

Dynaaminen kuormitus ja väsyminen Pienillä kuormituskertamäärillä (N < 10 3 ) tapahtuvaa väsymistä nimitetään myötöväsymiseksi Varsinaisessa väsymisessä kuormituskertojen lukumäärä on N = 10 4... 10 7 Väsymistapahtuma on tavallisesti kolmivaiheinen säröjen ydintyminen säröjen kasvuvaihe äkillinen murtuma Väsymismurtuma saa alkunsa paikallisista epäjatkuvuuskohdista (reiät, akselin olakkeet, kierteet, pintaviat, materiaaliviat jne.)

Väsyminen Koneenosien yleisin murtumissyy Murtuma alkaa yleensä kappaleen pinnalta (alkuna terävä lovi tai naarmu) Tyypillinen murtopinta on kaksiosainen väsymisalue jäännösmurtuma

Väsymislujuus Rakenne kestää oleellisesti useampia kuormituskertoja, kun jännitystasoa alennetaan, tietyn tason alapuolella rajattomasti Olakkeet ym. epäjatkuvuuskohdat laskevat kestoikää huomattavasti Wöhler-käyrä - teräksille N g = 10 7

Materiaalien lujuusarvoja Veto Taivutus Vääntö Aine w tw ts vw vs Rakenneteräs 0,45R m 0,49R m 1,5R e 0,35R m 0,7R e Nuorrutusteräs 0,41R m 0,44R m 1,4R e 0,30R m 0,7R e Hiiletysteräs 0,40R m 0,41R m 1,4R e 0,30R m 0,7R e Valurauta 0,25R m 0,37R m - 0,36R m - Kevytmetalli 0,30R m 0,40R m - 0,25R m - R m murtolujuus R e myötölujuus (Taulukko 1.4-1)

Teräksen Wöhler-käyriä (vetomurtolujuuden perusteella)

Väsymislujuutta alentavat tekijät Pinnan laatu, kerroin k 1 ( )

Osan koko ja muoto, kerroin k 2 (m) suurten kappaleiden väsymislujuus on pienempi kuin koesauvoilla saatu arvo veto-puristuskuormituksessa koon merkitys on vähäinen Väsymislujuutta voidaan parantaa pintakarkaisulla, kylmämuokkauksella ja kuulapommituksella.

Rasituksen S ja kantokyvyn R todennäköisyystiheydet

Mitoitus varmalla puolella olevien arvojen perusteella (ominaisarvot S k ja R k )

Rajatilamitoitus osavarmuusluvut kuormalle ( f ) ja materiaalille ( m )

Luotettavuuskerroin väsymislujuuden keskihajonta 8 % k3 1 008, zp Luotettavuus p z p k 3 0,50 0,90 0,95 0,99 0,999 0,999 9 0,999 99 0,999 999 0,999 999 9 0,999 999 99 0,999 999 999 0 1,288 1,645 2,326 3,090 3,719 4,265 4,753 5,199 5,612 5,997 1,000 0,897 0,868 0,814 0,753 0,702 0,659 0,620 0,584 0,551 0,520

Lovivaikutus max K t nim K t on loven muotoluku, riippuu myös rasitustavasta

Loven muotolukuja Taivutus

Vääntö

Loven vaikutusluku Kf Todellinen jännityshuippu jää pienemmäksi kuin mitä loven muotoluku K t antaa: max K f nim Loven vaikutusluku saadaan kaavasta K f 1 q( K 1) t missä q on materiaalin loviherkkyysluku, q riippuu myös loven muodosta.

Materiaalin loviherkkyys Teräs q 1 1 a / a on materiaalivakio

Vaihtovääntökuormitus

Materiaalien loviherkkyyslukuja Materiaali Loviherkkyys q Koneteräkset (hehkutettuna) Fe 360 (Fe 37) 0,4... 0,7 E295 (Fe 490, Fe 50) 0,5... 0,85 Rakenneteräs S355 (Fe 510, Fe 52) 0,85...0,9 Krominikkeliteräkset (kovaksi karkaistuna R m = 900 N/mm 2 0,8... 0,95 ) Jousiteräs (R m = 1100 N/mm 2 ) 0,95...1,0 Austeniittinen teräs 0,1... 0,35

Smithin väsymislujuuspiirros Eri kuormituksille omat piirrokset: veto/puristus taivutus vääntö

Smithin piirros w = k 1 k 2 w

Kolme vaihtoehtoa varmuusluvulle Keskijännitys v,m ja jännitysamplitudi v,a kasvavat samassa suhteessa n OP1 OP 1' OQ OP' Keskijännitys on vakio, jännitysamplitudi kasvaa n PP2 PQ Jännitysamplitudi on vakio, keskijännitys kasvaa n OP 3' OP'

Varmuusluku vaihtokuormituksella Lovivaikutus sekä pinnan laadun ja koon vaikutus otetaan huomioon vert kk 1 2 n w tai vert kk 1 2 n w Yleensä n = 2...3.

Väsymismitoitusmenetelmiä

Terästen väsymislujuus

Nuorrutettujen terästen sietoraja

Wöhler-käyriä kampiakseleille

Kumulatiivinen vaurioteoria Jokainen jännitysheilahdus kuluttaa rakenneosan eliniästä suhteellisen osuuden Vaurio tapahtuu, kun kaikkien kuormituskertojen kuluttamien osuuksien summa on 1 (0,7...2,2) n N 1 1 n2 nk ni + 1 N N N 2 k i Jännitysamplitudeja i esiintyy n i kertaa. N i on murtumaan johtavien kuormituskertojen lukumäärä jännitysamplitudilla i. Menetelmä ei ota huomioon jännitystasojen ajallista järjestystä

Murtumismekaniikka materiaalin särönkasvuominaisuudet rakenteen ja särön geometria jännitystila ja -jakauma

Äärellinen kestoikä Nimellisjännitysten menetelmässä lasketaan kohteen nimellisjännitys ja verrataan sitä Wöhler-käyrän aikariippuvaan alueeseen Hot Spot -menetelmää sovelletaan yleensä hitsiliitoksille määrittämällä kyseiselle liitostyypille oma Wöhler-käyrä ja mittaamalla jännitykset todellisesta rakenteesta loven vaikutusalueen ulkopuolelta Paikallisen venymän menetelmässä (SAE) rakennekohdan jännitykseen lasketaan myös loven pohjan myötämisen vaikutus