Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации» » синергетика

Многокритериальный подход к оценке прочности материалов резьбовых соединений

Косова Мария Александровна — Mon, 31 Oct 2016 17:43:41 +0000

Резьбовые соединения имеют чрезвычайно широкое применение в различных областях техники и составляют 15 – 20% от общего количества соединений в современных машинах. Часто они являются ответственными элементами конструкций, передающими значительные статические и динамические нагрузки, работающими как при повышенных, так и при пониженных температурах. Поэтому вопросы обеспечения прочности резьбовых соединений на всех стадиях жизненного цикла соединений являются актуальными.
Расчеты прочности резьбовых соединений при статическом нагружении основаны на номинальных допускаемых напряжениях, устанавливаемых по характеристикам механических свойств (предел текучести, предел прочности). Используемые в этих расчетах запасы прочности отражают влияние на характеристики разрушения деталей основных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, а их величины назначаются с учетом практики эксплуатации.
Такая оценка несущей способности оказывается достаточно обоснованной, если в процессе эксплуатации исключаются условия возникновения хрупких состояний. В вязких состояниях под действием эксплуатационных нагрузок в зонах концентрации происходит перераспределение напряжений за счет образующихся пластических деформаций, и номинальные разрушающие напряжения оказываются на уровне предела текучести или превышают его.
Однако при наличии в резьбовых соединениях начальных металлургических и технологических дефектов (трещины, поры, включения и т.п.), а также при образовании в них трещин по мере накопления эксплутационных повреждений (циклических, от деформационного старения и др.), как показывают многочисленные наблюдения и опыты, разрушающие напряжения могут оказаться существенно (в 1,5 – 4 раза) ниже предела текучести. При наличии дефектов в хрупких состояниях понижение разрушающих напряжений, отнесенных к пределу прочности (или к пределу текучести), указывает на необходимость обоснованного подхода к назначению запасов прочности резьбовых соединений.
В настоящее время прочность материалов, как болтов, так и гаек регламентируется соответственно ГОСТ Р 52627-2006, ГОСТ Р 52628-2006. В ГОСТ Р 52627-2006 все материалы, применяемые для изготовления болтов, разбиты на 10 классов прочности, а материалы, применяемые для изготовления гаек (ГОСТ Р52627-2006) – на 7 классов прочности. В основу разбиения на классы прочности материалов, как болтов, так и гаек лежат две характеристики прочности, а именно предел прочности на растяжение () и предел текучести () (или условный предел текучести ) и их отношение. Кроме характеристик прочности в ГОСТе Р 52627-2006 приведены значения относительного удлинения после разрыва () и относительное сужение после разрыва (), твердость, ударная вязкость, напряжения от пробной нагрузки, разрушающий крутящий момент, предел прочности при растяжении на косой шайбе, прочность соединения головки со стержнем при ударе молотком. Среди перечисленных показателей механических и физических свойств материалов болтов основными являются показатели прочности (,). Это связано с тем, что традиционные методы оценки прочности конструкций (критерии прочности), основанные на экспериментально-теоретическом подходе включают в себя, как правило, только предел прочности и (или) условный предел текучести материала [1]. Кроме этого следует отметить, что как предел прочности, так и предел текучести являются не инвариантными к условиям эксплуатации показателями. Поэтому не случайно рекомендации приведенных выше ГОСТов распространяются только на случай статического нагружения резьбовых соединений при температурах до +35С°.
Традиционные критерии прочности, основанные на современных теориях пластичности и для которых разработаны методы механических испытаний, включающие установления комплекса свойств материала (предел текучести, предел прочности, характеристики пластичности и т.д.) подвергались неоднократно критическому анализу, достаточно указать работу Дж.Си [2]. Суть ограничений существующих теорий пластичности, базирующихся на диаграммах растяжение заключается в следующем [2]:
– данные испытаний при одноосном растяжении отражают не все процессы деформирования при плоском и объемном напряженных состояний, так они не учитывают существенное влияние изменения объема на поведение локальных объемов у края трещины;
– критерии пластичности и прочности не учитывают повреждений, вносимых при изменении объема;
– предполагается, что для каждого элемента сплошной среды функциональные соотношения между напряжением и деформацией остаются неизменными, в то время как они могут изменяться в зависимости от масштаба рассматриваемого объема.
Приведенные ограничения связаны с тем, что сопротивление разрушению зависит не только от условий нагружения, но и от наличия поверхностных и внутренних дефектов. Для безопасной работы деталей в конструкции необходимо учитывать кинетику повреждаемости материала и степень опасности того или иного дефекта.
Недостаточность данных стандартных механических испытаний для достоверной оценки работоспособности материала в конструкции обусловила развитие новых подходов к оценке прочности материалов. К числу таких подходов следует отнести подход, развитый в работе [3]. Он основан на объединении подходов синергетики и теории фракталов и учитывает самоорганизацию диссипативных структур, отражающую способность системы приспосабливаться к внешним условиям воздействия путем реализации обратных связей.
Всегда существовала проблема учета влияния на механические свойства материалов внешних факторов (температура, скорость и способ нагружения, состояние поверхности образца и т.д.). Решение данной проблемы автором [3] было осуществлено путем использования положений синергетики, учитывающей закономерности самоорганизующихся структур. Критические точки (точки бифуркаций), контролирующие переход системы из одного структурного состояния в другое, содержат уникальную информацию о свойствах материала. Механические свойства материала в близи точек бифуркаций обладают высокой информативностью и инвариантностью к внешним условиям. Таким образом, для оценки свойств материалов целесообразно использовать параметры, контролирующие точки бифуркаций, как обладающие свойствами инвариантности и универсальности.
Процессы пластической деформации и разрушения твердого тела, как обосновано в работе [3], являются многоуровневыми процессами, развивающимися в системе далекой от равновесия. С позиций синергетики повреждаемость и разрушение следует рассматривать как неравновесный фазовый переход кристаллической фазы в квазиаморфную, квазиаморфной фазы в деструктивную, которая спонтанно самоорганизуется в магистральную трещину. Это означает, что для начала своего развития процесс разрушения требует накопления в локальном объеме металла предельной плотности энергии деформации ( – энергия приходящаяся на единицу объема). Устойчивость материала к макроразрушению контролируется тремя параметрами [3]: пределом текучести () – контролируется устойчивость материала к продолжению макропластической деформации; предельной плотностью энергии деформации () – контролируется устойчивость материала к продолжению микроразрушения; коэффициентом интенсивности напряжений () – контролируется устойчивость материала к продолжению макроразрушения.
Концепция Жильмо [4], используемая в работе [3], предполагает, что поглощенная энергия при деформации контролируется прочностью межатомной связи. Это означает, что данная энергия является фундаментальной характеристикой сопротивления материала разрушению. В общем случае предельная плотность энергии деформации состоит из трех частей: энергии упругой деформации (), энергии пластической деформации () и энергии, необходимой для роста трещины (). Следовательно, () может быть определена по формуле:

, (1)

где , – напряжения и деформации, определяемые диаграммой растяжения; – предельная деформация. Формула (1) учитывает энергию как упругой, так и пластической деформаций. Это дает возможность определить удельную энергию предельной деформации материала по величине площади под кривой истинное напряжение – истинная деформация, построенной по результатам испытания на растяжения гладкого образца (при данных температуре и скорости нагружения).
Практика показала, что значения упругой энергии и энергии роста трещины на порядок и более меньше энергии пластического деформирования. Поэтому ими можно пренебречь.
Кроме этого можно определить по следующей приближенной формуле [3]:

, (2)

где – истинное сопротивление разрыву; , – начальный диаметр образца и диаметр после разрыва соответственно.
Коэффициент интенсивности напряжения (при нормальном отрыве) может быть определен по результатам экспериментального определения при круговом изгибе гладкого образца согласно формуле [3]:

, (3)

где – значение коэффициента интенсивности напряжения сплавов на основе железа, при достижении которого в нем возникают микротрещины, способные к самоподобному росту, что приводит к неустойчивости трещины;

, при ; , при .

На основе проведенного анализа диссипативных свойств материалов применительно к точке бифуркации было установлено, что вблизи данной точки переход к самоподобному разрушению контролируется критерием и коэффициентом масштаба [3]. Поскольку коэффициент масштаба однозначно (через упругие модули) связан с критерием , то целесообразно для раздельного рассмотрения влияния диссипативных свойств материала различной природы на прочность материала, представить критерий в виде [3]:

, (4)

где  – двухпараметрический показатель диссипативных свойств материала при зарождении трещины;  – то же при росте трещины.
Критерий (4) для сплавов, отвечающих условию модуль упругости Е=const и коэффициент Пуассона =const, объединяет механические свойства, контролирующие на макроуровне свойства трех фаз при данной температуре: кристаллической – сопротивление пластической деформации , квазиаморфной – предельную плотность энергии деформации в объеме, претерпевшем предельную деформацию  и деструктивной – критическую энергию на единицу длины трещины (пропорциональную ). В настоящее время, кинетические диаграммы, связывающие скорость роста трещины с коэффициентом интенсивности напряжений, как для циклического, так и статического вида нагружения едины, т.е. характеризуются одним и тем же значением количественного показателя динамической структуры  [3]. Двухпараметрические показатели ,  являются универсальными и инвариантными к внешним условиям [3], что позволяет при их использовании для анализа прочности материалов распространять результаты анализа на широкий круг условий эксплуатации.
В данной работе проведен анализ прочности материалов болтов по критериям , , . Для этого по приведенным выше формулам на основании показателей прочности и пластичности материалов болтов согласно ГОСТ Р 52627-2006 рассчитывались, , . Одних данных ГОСТ Р 52627-2006 для расчета  недостаточно, т.к. отсутствуют значения . Для определения использовалась формула, приведенная в работе [5]:

. (5)

Результаты расчетов и необходимые для их проведения данные приведены в таблице 1. Из этих результатов видно, что по мере возрастания класса прочности возрастают: в 5,79 раза; в 8,02 раза; в 22,11 раза. Критерий падает в 1,99 раза. Из анализа разрушения с позиций синергетики следует, что сопротивление разрушению твердых тел определяется их диссипативными свойствами. Возрастание критерия говорит о том, что с возрастанием класса прочности диссипативные свойства материала на стадии роста трещины улучшаются. Падение наоборот говорит о том, что диссипативные свойства материала на стадии зарождения трещин ухудшаются.
В близи точки бифуркации существующая диссипативная структура уже не обеспечивает устойчивость системы и требуется новый тип диссипативной структуры; и перестройка диссипативных структур в этой точке и переход к свободному разрушению контролируется критерием и коэффициентом масштаба .

Таблица 1

Механические и физические свойства	Класс прочности
	3.6	4.6	4.8	5.6	5.8	6.8	8.8		9.8	10.9	12.9
	3.6	4.6	4.8	5.6	5.8	6.8	d=16мм	d>16мм	9.8	10.9	12.9
Минимальный предел прочности на растяжение	330	400	420	500	520	600	800	830	900	1040	1220
Предел текучести	190	240	340	300	420	480	-	-	-	-	-
Условный предел текучести	-	-	-	-	-	-	640	660	720	940	1100
Относительное сужение после разрыва , %	55	50		50			52		48	48	44
Энергия пластической деформации	272,27	279,23	323,69	349,04	400,43	460,43	658,63	681,86	643,49	778,89	791,54
Коэффициент интенсивности напряжения	51,809	53,275	60,372	54,175	61,765	62,35	63,982	63,946	64,581	70,967	71,742
- при зарождении трещины	1,433	1,163	0,952	1,163	0,953	0,959	1,029	1,033	0,894	0,829	0,72
- при росте трещины	0,9844	1,279	2,053	1,625	2,594	2,993	4,095	4,22	4,65	6,671	7,892
Критерий разрушения	0,3559	0,5855	1,302	0,7568	1,681	1,945	2,546	2,612	3,36	5,713	7,868

В таблице 2 приведены значения критерия для стали при реализации предельного состояния, связанного либо с пластической нестабильностью, либо с нестабильностью разрушения [3]. Из сопоставления диапазона изменения (табл. 2) с данными таблицы 1 видно, что для материалов классов прочности 3.6, 4.6, 5.6 будет характерна пластическая нестабильность, т.е. следует ожидать вязкое разрушение отрывом, а для остальных классов прочности будет характерна нестабильность разрушения, т.е. следует ожидать квазихрупкое разрушение отрывом.

Таблица 2

Вид предельного состояния
Пластическая нестабильность
Нестабильность разрушения

В настоящее время установлены факторы, влияющие на эксплуатационные свойства резьбовых соединений, и разработан целый ряд конструкторских и технологических способов повышения функциональной надежности соединений [6 – 12].
Таким образом, данная методика анализа прочности материалов, позволяет в отличие от существующей (которая учитывает лишь условия нагружения) при анализе прочности материалов крепежных резьбовых соединений учитывать кинетику повреждаемости материала и степень опасности того или иного дефекта.

Влияние государства на местное самоуправление в Российской Федерации

Кулагина Ольга Сергеевна — Wed, 11 Jan 2017 07:42:09 +0000

Уровень жизни и стабильность Российской Федерации во многом определяется управленческой системой. Отлично отточенный механизм разделения полномочий любого ранга – основа России, ее дальнейшего процветания. Российская Федерация – это демократическое государство, а значит, единственным источником власти в стране является население.

Свою власть граждане осуществляют в основном посредством органов местного самоуправления. В Основном законе России сказано, что местное самоуправление самостоятельно в рамках своей компетенции , однако ни для кого не секрет: обе власти, центральная и муниципальная, существуют в тесной взаимосвязи, в том числе имеет место быть особое влияние государства на муниципалитеты, которое выражается в комплексе делегированных полномочий в рамках организации и планирования, передаваемых средств на исполнение должностных обязанностей, осуществления контроля за исполнением муниципалитетами полномочий.

Необходимо уточнить, что эти ветви все же не равны, но отличаются кругом своих компетенций. Так, например, ОМС находятся в системе государственно-властных отношений, действуют под эгидой единой государственной политики Российской Федерации, но, тем не менее, они могут наделяться некоторыми центральными полномочиями.

Нужно еще сказать, что муниципальная и центральная власти являются самостоятельными формами публичной власти, потому что они обе – это выражение мнения граждан, они отличаются только уровнем территорий, на которых осуществляют свои обязанности: центральная власть осуществляется на федеральном и региональном уровнях, муниципальная власть – на территориях МО.

Под центральным управлением понимается ни только воздействие, но и безусловная связь государства и его субъектов с муниципалитетами, которая обеспечит отличное функционирование работы муниципальных образований.

Еще нужно выделить и то, что взаимодействие государства, муниципалитетов, и их влияние друг на друга в России регулируют многие федеральные законы, потому что урегулирование интеграции центральной власти и муниципалитетов требует четкого разграничения совокупности навыков, знаний между субъектами и муниципалитетами на уровне НПА, как это происходит, например, в Республике Башкортостан.

В Уставах (Конституциях) некоторых субъектов России существуют несоответствия с основным законом РФ и Федеральным законом «Об общих принципах организации местного самоуправления в Российской Федерации». Например, в них предусматривается такое положение, которое разрешает передавать по договору свои полномочия кому-либо, но в Конституции РФ такой порядок отсутствует.

Для того чтобы улучшить нормативную базу, необходим правовой акт, который устанавливал бы принципы взаимодействия органов центральной власти и муниципалитетов субъекта Федерации для эффективного решения вопросов центрального и местного уровней.

Существенное значение в вопросе влияния государства на муниципалитеты имеют нормативно правовые акты субъектов России, например, Устав Иркутской области, который был закреплен постановлением Законодательного Собрания Иркутской области от 15.04.2009, также Закон Новгородской области от 3 сентября 1994 года, Устав Ямало-Ненецкого автономного округа, принятый Государственной Думой Ямало-Ненецкого автономного округа 27 декабря 1998 года.

Так как интеграция этих ветвей власти осуществляется практически во всех сферах социальной жизни, в некоторых НПА самым главным является финансовая поддержка муниципалитетов, которая осуществляется благодаря принципам пропорциональности распределения финансовых ресурсов, а также принципам сотрудничества, самостоятельности и законности.

Во все времена было необычайно трудно разграничить центральное и местное управление. Потому что у них есть главная и общая цель – повышение уровня и качества жизни граждан каждого муниципального образования и России в целом.

В извечных проблемах органов любого уровня власти, таких как здоровье населения и достойная медицинская помощь, должное образование, жилищные условия, необходимы усилия как муниципалитетов, так и органов центральной власти. Поэтому влияние государства и, конечно же, создание условий для устойчивого самостоятельного развития МО должны быть ориентированы на эффективное согласование федеральных, региональных и муниципальных органов власти.

Если бы отсутствовало это влияние, муниципальные образования не смогли бы участвовать в важнейших для страны процессах, таких как проведение всевозможных реформ, усиление государственности, и, наконец, удовлетворение основных жизненных потребностей населения.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что центральная власть и местное самоуправление – это, безоговорочно, элементы единой системы социального управления, это единое целое.

Центральная власть влияет на местное самоуправление следующим образом: на федеральном уровне устанавливаются принципы организации местного самоуправления, федеральные органы государственной власти принимают программы государственной поддержки местного самоуправления, принимается ряд сопутствующих федеральных законов.

В ближайшие сроки Правительство России должно осуществить комплекс мер, обеспечивающих, естественно, углубление реформы местного самоуправления, и, конечно же, реализацию в полном объеме конституционных полномочий местного самоуправления по поддержке социально-экономического развития муниципальных образований.

Самоорганизация как процесс эволюции

Юрина Виктория Михайловна — Tue, 20 Jun 2017 07:12:51 +0000

В настоящее время человек в условиях информационного общества постоянно нуждается в знаниях, в специфике познания природы, социума и, конечно же, самого себя и смысла своего существования. Ответы на эти вопросы даёт синергетика – теория самоорганизации. Но в последние годы происхождение человека всё чаще вызывает интерес. Вокруг проблемы возникновения современного человека находится много споров, существует большое количество вопросов. Как и за счёт чего это произошло?

Разберём сам термин. Самоорганизация подразумевает собой развитие природы от менее сложных форм к более сложным и упорядоченным.

Также эта система умеет свой критерий-способность увеличивать запас свободной энергии, которая используется для свершения полезной работы. В этой области не важна система природы, например, экономическое положение стран или же тепловая машина-если система не имеет равновесия и обменивается веществом и энергией, то для неё справедливы всеобщие закономерности развития.[1]

Несмотря на всё это, концепция самоорганизация набирает все больше значительные обороты. При этом она становится примером исследования систем и процессов, происходящих в них. Несколько столетий спустя появляется новая наука под названием синергетика, которая изучает механизм самоорганизации, эволюцию различных структур (поддерживается благодаря притоку энергии и вещества извне).

Что же является основой синергетики? Безусловно, это термодинамика неравновесных процессов и теория случайных процессов и теория нелинейных колебаний и волн. Данная наука закладывает в себя виды материальных систем, таких как: закрытых и открытых, устойчивых и неустойчивых, линейных и нелинейных, статических и динамических.

Тем самым, мы поняли, что процесс самоорганизации включает в себя развитие любых открытых систем: плавную эволюцию, которая закономерна и детерминирована.[2]

Понятия самоорганизации предлагают термодинамика и синергетика, которые на основе введения абстрактных понятий пытаются систематизировать представления о самоорганизации в точных науках.

Таким образом, можно сделать вывод, что в самоорганизации материальная система переходит на новый уровень организации. А её роль на завершении стадии играет случайность. Именно она определяет то, как возможен переход системы в абсолютно новое для неё состояние.
В природе ничего непредсказуемо. Невозможно предугадать, какое будущее нас ждёт, но это мы сможем узнать лишь со временем.

Процесс эволюции: самоорганизация и антропогенез

Ротанова Валерия Александровна — Sat, 05 Jan 2019 16:58:06 +0000

Самоорганизация – это целенаправленный процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Свойствами самоорганизации обладают объекты различной природы: клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человечество. Смысл её в том, что есть какая-то сложная система. Она развивается и эволюционирует, изменяется. При этом причина изменений находится в самой системе, действуют какие-то внутренние силы и факторы. Самоорганизация служит началом и источником эволюции всех систем.

Подробнее об общих закономерностях явлений и процессов в сложных системах рассказывает одна из теорий самоорганизации – синергетика. Открытая система обменивается веществом и энергией с окружающей средой. Неравновесность сложной системы приводит к критическому состоянию, сопровождающемуся потерей устойчивости. Развиваются флуктуации, т.е. случайные отклонения. Одно из таких отклонений может подтолкнуть систему на конкретный путь ее перехода. Критическая точка, в которой наиболее вероятен переход в новое состояние, называется точкой бифуркации. В данной точке преобладает случайность. В результате скачкообразного выхода из критического состояния образуется качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности [1].

Появление человека на планете Земля является одним из центральных вопросов современного естествознания, на который наука не может дать однозначного ответа. Изучением происхождения и эволюции человека занимается отрасль естествознания антропология. Все мы знаем основные теории возникновения человека и отличия нас от животных. Однако, как объяснить движущие силы и закономерности, соотношение биологического и социального в процессе развития человека? Данным вопросом занимается антропогенез, т.е. происхождение человека и становление его как вида в процессе формирования общества.

Ученые-антропологи нашли и изучили огромное количество ископаемых останков вымерших человекообразных обезьян, благодаря которым мы можем составить поэтапную картину изменения человека в процессе эволюции. Гоминиды — семейство человекообразных обезьян. К ним относимся и мы, и наши древнейшие предки. В какой-то определённый момент произошло разделение гоминид на две ветви, по одной из которых появились более «совершенные» и «продвинутые» австралопитеки, приблизительно 4 млн. лет назад. Они очень хорошо изучены, т.к. найдено много останков. Они уже ходили на двух ногах, хотя и не так хорошо, как мы.

Позже появился человек умелый, у которого наблюдалась важная тенденция – началось увеличение мозга. Более развитые умственные способности позволяли ему изготавливать орудия труда.

На смену человеку умелому пришёл человек прямоходящий, или питекантроп. Усиленно развивались части мозга, отвечающие за речь, чувствительность рук и обработку зрительной информации.

Неандертальцев относят к древним людям. Это специализированный к хищничеству вариант человека. Неандертальцы жили в пещерах, объединялись в большие группы по 50-100 человек, умели контролировать огонь, изготавливали разнообразные орудия труда: каменные, костяные, деревянные. Между мужчинами и женщинами существовало четкое разделение труда [2].

Сейчас на планете Земля проживает человек разумный. Первые представители этого вида называются кроманьонцами, появились они около 45 тыс. лет назад. Из особенностей можно выделить членораздельную речь, сооружение жилищ, изготовление одежды и прочих изделий, возникновение религии и культуры. Роль биологического фактора эволюции начала затухать в результате развития общественных отношений, совместной производительной деятельности, появления все более совершенных орудий труда; произошло усиление ведущего действия социальных законов развития [2].

Итак, мы выяснили, что самоорганизация – это процесс, в ходе которого материальная система переходит на новый уровень организации. Синергийный подход заключается в развитии по бифуркационному сценарию, когда приобретение системой нового состояния – не результат закономерного развития, а следствие случайного выбора одного из возможных вариантов развития. В этой теории и находится ключ к пониманию процесса эволюции, который привел к появлению на Земле человека. Таким образом, возникновение человечества представляет собой самоорганизующуюся систему, в которой разделение древних гоминид на две ветви, по одной из которых происходило развитие человека, являлось переломным моментом, т.е. точкой бифуркации.

Таким образом, особую роль в самоорганизации на завершающей стадии эволюции играет случайность, поскольку только случайность определяет возможность перехода системы в какое-либо новое состояние. Перед человечеством встает глобальный вопрос: куда пойдет эволюционная ветвь нашего дальнейшего развития на планете Земля? Следуя теории самоорганизации, мы можем сделать вывод: невозможно предугадать, какое будущее ждёт человечество – это покажет время.