ИСПЫТАНИЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ

Испытание на устойчивость дает возможность определять несущую спо­собность тонкостенных элементов (стоек, профилей, труб) при сжатии их про­дольной силой [13, 14]. Метод позволяет производить оценку материалов, пред­назначенных для элементов конструкций, работающих на продольный изгиб, путем испытания тонкостенных стержней с различной формой поперечного се­чения и различной длины. Испытания проводятся с учетом предполагаемых условий эксплуатации при однократном и длительном нагружениях, при ком­натной и повышенных температурах, до разрушения (до потери устойчивости) или прекращаются при достижении определенной степени деформации. Для испытания на устойчивость при однократном приложении нагрузки исполь­зуются универсальные машины или прессы, при длительном нагружении — машины рычажного типа, предназначенные для испытаний на длительную прочность и ползучесть, которые в этом случае снабжаются специальными реверсорами.

При испытании на устойчивость стержень (образец) сжимается между траверсами машины. В момент выпучивания стержня, когда прогиб растет без заметного увеличения нагрузки, по остановке стрелки динамометра ма­шины отмечают значение критической силы Ркр и определяют критическое напряжение потери стержнем устойчивости: где F — площадь поперечного сечения стержня. В процессе испытания на устойчивость иногда измеряют деформацию (прогиб, осадку, удлинение растянутого волокна). Для измерения прогиба и осадки удобно пользоваться механическими тензометрами индикаторного типа. Тензодатчики сопротивления применяют для измерения удлинения наружного волокна.

Величина критического напряжения как при испытании на устойчивость, так и при эксплуатации зависит от ряда факторов: от длины стержня, точнее от его относительной гибкости , где — длина стержня; — наименьший радиус инерции сечения ( = , Jmin - наименьший момент инерции поперечного сечения); от характеристики сечения, главным образом, числа осей симметрии; расположения центра жесткости относительно главных осей инерции сечения. Центр жесткости (центр изгиба, центр сдвига) — точка в плоскости поперечного сечения, через которую проходит линия действия внешней силы, не вызывающей закручивания при изгибе. Для сечений с двумя осями симметрии центр жесткости лежит в точке пересечения осей и совпадает с центром тяжести, для сечений с одной осью симметрии—на этой оси, для несимметричных сечений положение центра жесткости определяется методами строительной механики. Величина критического напряжения зависит также от характеристик материала (модуля упругости и предела пропорционально­сти при сжатии, диаграммы сжатия «», анизотропии свойств); от нестро­гого соблюдения перпендикуляр­ности торцов оси стержня, исход­ной криволинейности, неравномер­ности толщины стенки и т. п.; от способа закрепления концов стер­жня (шарнирные или торцовые опоры, величина плеча приложе­ния нагрузки относительно центра жесткости). Эти факторы опреде­ляют форму потери устойчивости, которая может быть изгибной или изгибно-крутильной, при этом мо­жет иметь место как общая, так и местная потеря устойчивости. Местная потеря устойчивости (по­теря устойчивости стенки) возни­кает при выпучивании отдельных элементов тонкостенного стержня" при напряжении ниже того, кото­рое вызывает общую потерю устойчивости стержня. Местная потеря устойчивости типична для коротких стержней, у длинных стержней она возникает главным образом вследствие несовершен­ства изготовления. Изгибная фор­ма потери устойчивости (выпучи­вание) характерна для стержней замкнутого профиля, у которых центры жесткости и тяжести совпадают, а на­грузка приложена центрально. У стержней открытого профиля (уголки, швел­леры и т. п.), особенно с несимметричным сечением, наблюдается скручивание или выпучивание с закручиванием; значения Ркр при этом, как правило, пони­жены относительно напряжений, определяющих изгибную форму потери устой­чивости, имеющую место в случае, когда продольная сила приложена по центру жесткости (рис. 1).

При испытании на устойчивость торцы стержня, строго перпендикулярные его оси, устанавливают на отшлифованные прокладки из стали высокой твер­дости, расположенные на специальных шарнирных (цилиндрических или ша­ровых) опорах или чаще на плитах машины (торцовые опоры); при этом задается и фиксируется место приложения нагрузки относительно сечения стержня. Обычно на устойчивость испытывают серию стержней одного про­филя различной длины и строят кривую продольной устойчивости в коорди­натах или .

В области < ( —предел пропорциональности материала стержня при сжатии, равный для сталей 1,05 , для алюминиевых сплавов 1,1 , где —предел пропорциональности при растяжении), эксперимен­тальная кривая устойчивости (рис. 2) близка к расчетной гиперболе, полученной по формуле Эйлера: , где Е — модуль упругости материала стержня при сжатии или растяжении;

с—коэффициент заделки (может колебаться в пределах от 0,25 до 4; для шарнирных опор с=1, для торцовых с=2). Расчет для коротких стерж­ней в области > по эмпирическим формулам Джонсона, Тетмайера, Кармана и др., как показывает практика, недостаточно надежен. В этой обла­сти особенно важно опытное определение . Следует заметить, что для коротких стержней практически не зависит от способа заделки.

При высоких температурах испытание на устойчивость проводят в нагре­вательных печах (многосекционных—для снижения возможного перепада температур из-за значительной длины образца), монтируемых на испытательных машинах, при однократном приложении воз­растающей нагрузки или при постоянно действующей нагрузке на стержень заданной гибкости.

Основные требования к проведению испытаний (режим нагрева, кон­троль температуры, скорость нагружения и т. п.) должны заимствоваться из ГОСТа 9651—61 (Металлы. Методы испытания на растяжение при повышен­ных температурах), ГОСТа 3248—60 (Металлы. Метод испытания на ползу­честь) и ГОСТа 10145—62 (Металлы. Метод испытания на длительную проч­ность). Обработка результатов кратковременных испытаний на устойчивость при комнатной и повышенной температурах аналогична. По результатам дли­тельных статических испытаний на устойчивость строят кривые «критическое напряжение — время» и «деформация — время», подобные кривым длительной прочности и ползучести соответственно. Оценка устойчивости стержня в этих условиях проводится по значению критического времени , при котором стер­жень определенной гибкости под действием некоторого постоянного напряже­ния сохраняет несущую способность. В зависимости от заданных условий может определяться временем при котором деформация достигает задан­ной величины, либо начинает ускоренно расти (Тира), либо растет неограни­ченно до разрушения, т. е. до потери устойчивости, ; в практике обычно пользуются значением критического времени (рис. 3).