Введение
Циклическое напряжение – это распределение сил (также известных как напряжения), изменяющихся во времени по повторяющемуся закону. В качестве примера рассмотрим одно из больших колес, используемых для привода воздушного подъемника, например, подъемника для лыжников. Трос, обернутый вокруг колеса, оказывает на колесо и на поддерживающий его приводной вал направленную вниз силу. Несмотря на то, что вал, колесо и трос движутся, эта сила остается почти вертикальной относительно земли. Таким образом, точка на поверхности приводного вала будет испытывать растяжение, когда она направлена к земле, и сжатие, когда она направлена в небо.
Типы циклического напряжения
Циклическое напряжение часто встречается во вращающихся машинах, где к вращающейся детали прикладывается изгибающий момент. Это называется циклическим напряжением на изгиб, и показанный выше подъемник является хорошим примером. Однако также существуют циклические осевые и циклические напряжения кручения. Примером циклического осевого напряжения может служить эластичный трос для банджи-джампинга (см. прыжки с банджи), который должен выдерживать массу людей, прыгающих с сооружений, таких как мосты. Когда человек достигает конца троса, тот упруго деформируется и останавливает его падение. Это создает значительное осевое напряжение в тросе. Часть накопленной в тросе упругой потенциальной энергии обычно возвращается человеку, подбрасывая его вверх на часть пройденного расстояния. Затем человек снова падает на трос, вызывая напряжение в нем. Это повторяется несколько раз во время одного прыжка. Один и тот же трос используется для нескольких прыжков, создавая циклические напряжения, которые со временем могут привести к его разрушению, если его не заменить.
Циклическое напряжение и отказ материала
При воздействии циклических напряжений на материал, даже если эти напряжения не приводят к пластической деформации, материал может разрушиться из-за усталости. Разрушение от усталости обычно моделируется путем разложения циклических напряжений на среднее и переменное компоненты. Среднее напряжение – это среднее значение главного напряжения во времени. Определение переменного напряжения различается в разных источниках: оно может определяться как разность между минимальным и максимальным напряжением, либо как разность между средним и максимальным напряжением. Инженеры стремятся проектировать механизмы, детали которых подвергаются воздействию одного типа циклического напряжения (изгибающего, осевого или крутящего), поскольку это лучше соответствует экспериментальным данным, используемым для характеристики усталости различных материалов.