6.5. Обобщенный показатель выгодности применения материалов

Выгодность выбора и применения в конструкциях материалов характе-ризуется показателем A, выражающим их способность нести наиболее высо-кие нагрузки при наименьших деформациях и массе и определяемым по формуле

A =	σ0,2 E
			,	(6.8)
	γ	2

где σ0,2 – предел текучести; γ – объемный вес;	σ0,2	– фактор прочности,
	γ

^E_γ – фактор жесткости. Показатель A и показатели прочности и жесткости материалов в отдельности приведены в пособии. Из 11 видов конструкцион-

ных материалов 6 видов имеют одинаковый показатель ^E_γ ^⋅10−6 = 25,5, а три

вида близки к нему ( ^E_γ ^⋅10−6 =25). Однако многие из них не могут нести в ы-сокие нагрузки и деформируются. Поэтому выбирать материалы надо с уче-

σ0,2	, т. е. по обобщенному показателю прочности и жестко-
том показателя γ

с ти A (по этому показателю наилучшие данные имеют сверхпрочные стали и сплавы титана, на достаточно высоком уровне находятся также сплавы алю-миния и магния). Алюминиевые и титановые сплавы, применяемые для бу-

рильных труб, по обобщенному показателю	σo F	находятся на уровне проч-
	γ2

ных легированных сталей.

Но выбор материала определяется кроме указанных характеристик и технологическими требованиями. Экономически целесообразна разработка мероприятий для создания достаточно прочных и жестких изделий с исполь-зованием материалов, обладающих невысокими значениями А.

Распространенные конструктивные способы повышения жесткости без существенного увеличения массы:

1) устранение изгиба, замена растяжения сжатием (пример на рис. 6.1).

а б в г

Рис. 6.1. Конструкции литых кронштейнов

2) для деталей, работающих на изгиб – рациональная расстановка опор, исключение невыгодных видов приложения нагрузок (рис. 6.2);

Из схем нагружения, приведенных на рис. 6.2, при одних и тех же зна-чениях l и Р максимальный момент в 4 раза меньше у двухопорной балки, чем у консольной, а также меньше и максимальный прогиб; рациональное увеличение моментов инерции (сопротивления), не сопровождаемое возрастанием массы.

а

б

в

Рис. 6.2.Схемы нагружения:

а – M max = Pl; fmax =

Pl

3

; б – M max

Pl

; fmax =

Pl3

=

;

г

д EI

4

е

48EI

в – M max =

Pl

; fmax

=

Pl3

.

8

192EI

Из сравнения профилей равных масс (табл. 6.3) следует, что при изгибе наиболее целесообразной является двутавровая форма профиля: прочность по сравнению с исходным профилем №1 увеличивается в 9–12 раз, жесткость в 40–70 раз.

При равной прочности различных профилей двутавровая форма при некотором снижении массы повышает жесткость в 3–3,5 раза по сравнению с исходным профилем.

4) рациональное усиление ребрами, работающими предпочтительно на сжатие;

5 ) усиление участков перехода от одного сечения к другому;

6. блокирование деформаций введением поперечных и диагональных связей (подъемные и буровые вышки, основания под тяжелое оборудование)

6. привлечение жесткости соседних деталей;

7. для деталей коробчатого типа (различного рода крышек, колпаков, резервуаров, емкостей и т. д.) рекомендуют применение скорлупчатых, свод-чатых, сферических, яйцевидных и т. п. форм;

6. для деталей типа дисков рекомендуют конические, чашечные, сфе-рические формы, рациональное оребрение, гофрирование;

6. для деталей типа плит рекомендуют коробчатые, двустенные, ячеи-стые и сотовые конструкции (станины насосов, лебедок, роторов и т. д.).

Таблица 6.3. Прочность, жесткость и масса профилей

1	2	3	4	5		6	7	8	9
Номер		m				W			I
профиля
				F(m) = const
1		1				1			1
2		1				2,2			5
3		1				5			25
4		1				9			40
5		1				12			70
				W = const
6		0,6				1			1,7
7		0,33				1			3
8		0,2				1			3
9		0,12				1			3,5

Примечание: F(m) – площадь сечения в функции от массы.

Типовые решения по увеличению жесткости даны в прил. 3, прил. 4 (рис. П3.1 и табл. П4.1).

Контрольные вопросы

1. По каким критериям производят оценку материалоемкости?

2. Какие методы используют для снижения металлоемкости?

3. Что такое жесткость изделия и жесткость материала?

4. Какие методы увеличения жесткости применяют в практике конструирования?

5. Охарактеризуйте связь между жесткостью и прочностью конструкций.

1