«Основы расчетов на прочность в инженерной практике» (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра «Прикладная механика, динамика и прочность машин»

СОГЛАСОВАНО: Зав. выпускающей кафедрой «Прикладная механика, динамика и прочность машин» _______________ «_____» ____________ 2006 г.

УТВЕРЖДАЮ: Декан Физического факультета ________________ «_____» ____________ 2006 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

Дисциплина ОПД. В.03 «Основы расчетов на прочность в инженер­ной практике»

для специальности 071100 «Динамика и прочность машин»

направление подготовки 651500 «Прикладная механика»

факультет: Физический

кафедра-разработчик: Прикладная механика, динамика и прочность машин

Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «ПМ и ДПМ», протокол №________________________________ от________________ 2006 года.

Зав. кафедрой разработчика ______________________ профессор

Ученый секретарь кафедры ______________________ доцент

Разработчик программы ______________________ доцент

Челябинск

2006

1. Введение

1.1. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

Подготовка выпускника должна обеспечивать квалификационные умения для решения профессиональных задач:

-  участие во всех фазах проектирования, разработки, изготовления и сопровождения объектов профессиональной деятельности;

-  использование современных методов, средств и технологий разработки объектов профессиональной деятельности;

-  взаимодействие со специалистами смежного профиля при разработке методов, средств и технологий проектирования объектов профессиональной деятельности;

-  участие в научных исследованиях и проектно-конструкторской деятельности, в управлении технологическими, экономическими, социальными системами;

-  проведение комплексного технико-экономического анализа для обоснованного принятия решений, изыскание возможности сокращения цикла работ, содействие подготовке процес­са их реализации с обеспечением необходимыми техническими данными, материалами, оборудованием;

-  участие в работах по осуществлению исследований, в разработке проектов и программ, в проведении необходимых мероприятий, связанных с испытаниями оборудования и внедрением его в эксплуатацию, а также в выполнении работ по стандартизации технических средств, систем, процессов, оборудования, в рассмотрении различной технической документации.

Инженер специальности 071100 «Динамика и прочность машин» должен знать:

-  постановления, распоряжения, приказы, методические и нормативные материалы, касающиеся конструкторской подготовки производства;

-  системы и методы проектирования;

-  принципы работы, условия монтажа и технической эксплуатации проектируемых конструкций, технологию их производства;

-  перспективы технического развития предприятия;

-  оборудование предприятия, применяемую оснастку и инструмент;

-  технические характеристики и экономические показатели лучших отечественных и зарубежных образцов изделий, аналогичных проектируемым;

-  стандарты, методики и инструкции по разработке и оформлению чертежей и другой конструкторской документации;

-  технические требования, предъявляемые к разрабатываемым конструкциям, порядок их сертификации;

-  современные средства вычислительной техники, коммуникаций и связи;

-  методы проведения технических расчетов при конструировании;

-  применяемые в конструкциях материалы и их свойства;

-  методы анализа технического уровня объектов техники и технологии;

-  цели и задачи проводимых исследований и разработок, отечественную и зарубежную информацию по этим исследованиям и разработкам;

-  современные методы и средства планирования и организации исследования и разработок, проведение экспериментов и наблюдений, обобщения и обработки информации, в том числе с применением ЭВМ.

1.2. Требования к уровню подготовки для освоения дисциплины

Курс «Основы расчетов на прочность в инженер­ной практике» применительно к конструкциям с трещиноподобными дефектами можно отнести как к общепрофессиональным, так и специальным дисциплинам. Он опирается на кур­сы высшей математики, физики, сопротивле­ния материалов, строительной механики, теории упругости, теории пластичности и ползучести, основ физики прочности и механики разрушения, конструкционной прочности.

Сферой его приложения является анализ работы и разрушения тел с трещинами и острыми трещиноподобными дефектами. Для разрушения конструкций в этих условиях характерен низкий уровень критических напряжений, движение трещины начинается вне­запно и происходит мгновенно, последствия носят, как правило, катастрофический харак­тер. Возможность реализации подобного предельного состояния должна учитываться в слу­чае массивных и толстостенных конструкций (в особенности, изготовленных из высокопро­чных сталей пониженной пластичности), объектов, работающих при низких температурах, сварных конструкций.

С другой стороны, образование трещины в деталях машин, подверженных цикличес­кому нагружению, не обязательно означает выход их из строя. Этап разви­тия усталостной трещины до критического размера может составлять до 40% и более общего ресурса. Разработка критериев надежности конструкций с трещинами – также предмет данной дисци­плины. Таким образом, этот курс является необходимым элементом инженерного образо­вания как разработчиков соответствующего оборудования, так и эксплуатирующего его персонала.

2.  Цели и задачи преподавания и изучения дисциплины

Курс «Основы расчетов на прочность в инженер­ной практике» представляет важный элемент в системе знаний при проведении исследовательских работ в области фундаменталь­ных наук и наукоемкого произ­водства в части обеспечения прочности, надежности машин, конструкций и приборов и безопасности техники, включая совокупность средств, способов и методов человеческой деятельности, направленных на исследование, создание и эксплуатацию машин с высокой долговечностью и эффектив­ностью. Знание особенностей поведения конструкций с трещинами необходимо в таких областях профессиональной деятельности, как

-  расчеты и проектирование новой техники, в том числе, предназначенной для работы в экстремальных условиях;

-  экспериментальные исследования создаваемых образцов новой техники, приборов, машин, конструкций и новых материалов;

-  создание и развитие аналитических и численных методов расчета новой техники, приборов, машин и конструкций;

-  исследование надежности, ресурса и безопасности машин, конструкций и приборов;

-  разработка математических моделей расчета конструкций из традиционных и перспектив­ных материалов, находящихся в экстремальных условиях эксплуатации.

Задачей курса является ознакомление слушателей с основными понятиями и физичес­кими аспектами разрушения; некоторыми экспериментально наблюда­емыми эффектами; различными подходами к расчетной оценке трещиностойкос­ти элементов конструкций в линейной и частично нелинейной постановке; методикой проведения испытаний и обработ­ки получаемых результатов для определения характеристик сопротивления материалов хрупкому разрушению; конструктивными и технологическими мероприятиями, повышаю­щими надеж­ность конструкций с трещинами. На примерах решения простых задач студенты получают начальные навыки типовых расчетов на проч­ность по критериям меха­ники разру­шения, закрепляемые затем на практических занятиях и в процессе выполнения специаль­ного задания.

Настоящий курс представляет авторскую разработку доцента кафедры "Прикладная механика, динамика и прочность машин" Южно-Уральского государственного университета кандидата технических наук В. Б.По­рошина; курс прошел апробацию на специальностях "Динамика и прочность ма­шин" и "Проектирование и производство летательных аппаратов".

3. Объем дисциплины и виды учебной работы

Лекции – 15 час., практические занятия – 15 час., самостоятельная работа студентов – 38 час.

Зачет – IХ семестр, расчетное задание.

Образовательная программа «Основы расчетов на прочность в инженерной практике» включает следующие разделы.

Проблема хрупкого разрушения конструкций. Механизмы хрупкого разрушения. Типы трещин. Напряженно-деформированное состояние и перемещения в вершине трещины. Коэффициент интенсивности напряжений. Оценка размеров и формы зоны пластической деформации в вершине трещины. Поправка Ирвина на пластичность. Влияние типа напряженно-деформированного состояния на несущую способность элементов конструкций. Силовой подход к оценке трещиностойкости. Экспериментальное определение вязкости разрушения; требования к оборудованию, образцам и регистрирующей аппаратуре; критерии корректности получаемых результатов. Нормативные документы, регламентирующие определение вязкости разрушения. Энергетический подход к оценке трещиностойкости. Интенсивность выделения упругой энергии и сопротивление росту трещины. Критерий Гриффитса. R–кривая. Элементы нелинейной механики разрушения. Деформационный подход к оценке трещиностойкости. Критерий критического раскрытия трещины. Стабильный (докритический) рост трещин при циклическом нагружении и в условиях коррозии. Расчетная оценка сопротивления хрупкому разрушению. Критические температуры хрупкости материала. Влияние конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на трещиностойкость конструкции. Обеспечение надежности работы конструкций с трещинами. Конструктивные, технологические и организационные мероприятия, оценка их эффективности.

Выполнение предусмотренной рабочей программой расчетного задания способствует активному, целенаправленному использованию и закреплению полученных знаний, формирует навыки работы с учебной, справочной и нормативно-технической литературой, а также оформ­ления результатов своей работы в соответствии с действующими нормативными документами. Защита курсовой работы помогает научиться формулировать постановку задачи, лаконично излагать путь ее решения, выделяя при этом базовые положения и используемые методы, анализировать полученные результаты, делать выводы по работе.

Всего часов по «Основам расчетов на прочность в инженерной практике» – 68.

Таблица 1 – Состав и объем дисциплины

Вид учебной работы	Всего часов
Аудиторные занятия	30
Лекции (Л)	15
Практические занятия (ПЗ)	15
Семинары (С)	–
Лабораторные работы (ЛР)	–
Самостоятельная работа (СРС)	38
Курсовая работа, расчетное задание (РЗ)	РЗ
Реферат или другие виды СРС	–
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)	Защита РЗ Зачет

4. Содержание дисциплины

4.1. Темы для изучения, их краткое содержание и объем занятий по видам учебной работы. В табл. 2 приводится краткое содержание и объем занятий по видам учебной работы.

Таблица 2 – Разделы дисциплины, виды и объем знаний

№ раздела, темы	Наименование разделов, тем дисциплины	Объем в часах
всего	Л	ПЗ	СРС
1	2	3	4	5	6
1	Проблема трещиностойкости конструкций. Механизмы хрупкого разрушения.	2	1	–	2
2	Силовой подход к оценке трещиностойкости элементов конструкций при монотонном и циклическом нагружении.	16	6	7	8
3	Энергетический подход к оценке трещиностойкости элементов конструкций.	12	4	5	5
4	Деформационный подход к оценке трещиностойкости элементов конструкций.	3	1	1	2
5	Расчетная оценка сопротивления хрупкому разрушению. Обеспечение надежности работы конструкций с трещинами.	7	3	2	3
В том числе, расчетное задание	28	–	18
Итого:	68	15	15	38

4.2. Содержание разделов и тем дисциплины (при необходимости приводятся методические рекомендации по изучению).

Таблица 3 – Содержание и объем лекционных занятий

№ недели	№ темы	№ лекции	Содержание лекции
1	1	1	Введение. Проблема хрупкого разрушения конструкций. Механика разрушения как научно-прикладная дисциплина, ее задачи. Механизмы хрупкого разрушения: разрушение сколом и вязкое разрушение. Типы трещин. Напряженно-деформирован­ное состояние и перемещения в вершине трещины при плоском напряженном (ПНС) и плоском деформированном (ПДС) состояниях. Коэффициент интенсивности напряжений. Влияние конечных размеров объекта. 1.  Литература: [1], гл.2, п.1.1, гл.3; [2], гл.1, П.1; [3],
2	2	2	Оценка размеров зоны пластической деформации в вершине трещины. Форма зоны при ПНС и ПДС. Факторы, влияющие на размер зоны пластичности. Коэффициент ограничения на плас­тичность. Поправка Ирвина на пластичность. Влияние типа нап­ряженно-деформированного состояния на несущую способность элементов конструкций. Явление туннелирования трещины. Литература: [1], гл.4; [2], гл.1, п.1.
3	2	3	Силовой подход к оценке трещиностойкости с учетом типа напряженного состояния. Экспериментальное определение вяз­кости разрушения; требования к оборудованию и регистрирую­щей аппаратуре; образцы, их подготовка и проведение испыта­ний, критерии корректности получаемых результатов. Норма­тивные документы. Элементы нелинейной механики разруше­ния. Двухпараметрический критерий . Литература: [1], гл.7, п.8.4; [2], гл.2, п.2; [3], гл.7; [4].
4	2	4	Модель роста усталостной трещины. Стабильный (докрити­ческий) рост трещин при циклическом нагружении. Влияние перегрузок. Пороговое и предельное значения коэффициента интенсивности напряже­ний. Формула Пэриса, ее модификации. Рост трещин при стати­ческом нагружении в условиях коррозии. Литература: [1], гл.10.
5	3	5	Энергетический подход к оценке трещиностойкости. Ин­тенсивность выделения упругой энергии и сопротивление росту трещины. Критерий Гриффитса. R–кривая при ПДС и ПНС. Связь R–кривой с диаграммой докритического разрушения. Эффект хлопка. Элементы нелинейной механики разрушения (J–интеграл). Литература: [1], гл.5, п.8.3, 8.4.
6	4	6	Деформационный подход к оценке трещиностойкости. Критерий критического раскрытия трещины, коэффициент интенсивности деформаций. Эквивалентность трех подходов в рамках линейной механики разрушения. Литература: [1], гл.9; [2], гл.2, п.3.
7	5	7	Расчетная оценка сопротивления хрупкому разрушению. Критические температуры хрупкости материала. Влияние на них конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Определение критического напряжения при хрупком и квазихрупком разрушениях. Запасы прочности по критичес­ким температурам хрупкости и напряжению. Литература: [1], гл.3.
8	5	8	Обеспечение надежности работы конструкций с трещинами. Конструктивные, технологические и организационные меропри­ятия, оценка их эффективности. Способы торможения трещин. Литература: [1], гл.12.
Защита расчетного задания, зачет

4.2. Контрольные вопросы по основным темам лекционного курса