РефератыПромышленность, производствоСтСтатистические методы оценки прочности пластмасс

Статистические методы оценки прочности пластмасс

Введение


Тема реферата «Статистические методы оценки прочности пластмасс».


Прочность пластических масс и изделий из них определяется максимальной нагрузкой или максимальным напряжением, которые образец или изделие могут выдержать без разрушения. Прочность зависит от вида пластмассы и определяется путем специальных физико-механических испытаний. Однако в отличие от традиционных конструкционных материалов испытания пластмасс дают дополнительный разброс показателей. Он объясняется суще6ствованием двух видов погрешностей: 1) систематических и 2) случайных. Систематические погрешности можно выделить и учесть при оценке прочности, так как их существование связано с малой точностью используемых методик и приборов. Случайные погрешности учесть очень трудно, так как нельзя предусмотреть заранее, в каком месте образца или изделия появится слабое место. Случайные погрешности возникают вследствие нерегулярного строения, неоднородности, наличия ослабленных мест и дефектов в структуре. Такие ослабления вызывают неравномерность распределения напряжений, концентрацию напряжений на микродефектах, что ведет к возникновению очага разрушения и последующему разрыву.


Случайные погрешности учитываются с помощью закономерностей теории вероятности. Экспериментальные данные принимают как случайные величины, т.е. такие величины, которые могут принимать те или иные значения в зависимости от причин, не учитываемых заранее. Для оценки ряда результатов испытаний одного и того же материала используется статистическая обработка данных. Полученные статистические характеристики позволяют сделать правильное суждение о полученных данных.


1. Статистические характеристики

1) Среднее арифметическое значение случайной величины:


x = (x1
+x2
+x3
+۰۰۰+xn
) = (Σ xi
) / n,


где n – количество наблюдений в выборке.


2) Эмпирическое среднеквадратическое отклонение:


Sn
= √ Σ(xi
– x)2
/ (n-1)


Берется только положительное значение.


3) Дисперсия:


Dn
= Sn
2
= Σ(xi
– x)2
/ (n-1)


Если n > 50, то (n-1) можно заменить на n.


4) Доверительный интервал:


‌x – x ‌ ≤ Sn
/ √n∙tα
(
n
)
,


где х – среднее значение величины для бесконечно большого числа измерений (генеральной совокупности);



(
n
)
– коэффициент Стьюдента, значения которого выбираются из таблиц в зависимости от числа наблюдений n и доверительной вероятности α.


5) Коэффициент вариации:


νх
= Sn
/х · 100% или νх
= Sn


2. Оценка прочности пластмасс с помощью вероятности разрушения по Серенсену


Основными условиями обеспечения прочности любого материала являются:


По напряжениям n = σраз
/σmax
экв
≥ [n]


По нагрузкам n = R/Q ≥ [n],


где n – запас прочности;


σраз
– разрушающее напряжение;


σmax
экв
– максимальное эквивалентное действующее напряжение;


R – разрушающая нагрузка;


Q – действующая нагрузка;


[n] – допускаемый запас прочности.


В основе оценки лежат:


1) статистическая природа прочности пластмассы;


2) возможность вероятностного распределения действующих нагрузок и напряжений.


Это позволяет построить графики плотностей вероятности распределения Р(х) по действующему напряжению σ и пределу прочности σв
. При этом запас статистической прочности будет равен:


n = σв
/ σmax
.


Считаем, что σв
и σmax
известны. В точке А кривые распределения нагружающих и разрушающих напряжений пересекаются и, если одновременно σ > σА
и σв
< σА
, возможно разрушение.


Вероятность разрушения по Серенсену в предположении независимости событий:


Рраз
= Р (σ > σА
)·Р(σв
< σА
) = S,


где S – площадь заштрихованного участка.


Вероятность того, что случайная величина σА
будет меньше заданного значения σ, равна:

Р (σ > σА
) = ½ + Ф[(σА
– σ) / Sд
],


где Ф – табулированная функция Лапласа;



– среднее квадратическое отклонение действующего напряжения.


Табулированная функция Лапласа равна:


2


Ф[(σА
– σ)·/Sд
] = 1/√2π · ∫е-1/2 ξ
·dξ


где ξ = (σА
-σср
) / Sд
; dξ = dσА
/ Sд


Вероятность того, что случайная величина σА
будет больше заданного значения σв
, равна:

Р(σв
< σА
) = ½ – Ф[(σА
– σв ср
) / Sв
],


где Sв
– среднее квадратическое отклонение разрушающего напряжения.


В предположении того, что закон распределения случайных величин нормальный, можно записать:


Рраз
= {½ + Ф[(σА
– σ)/Sд
]}· {½ – Ф[(σА
– σв ср
)/Sв
]}


Плотность распределения при нормальном законе распределения равна:


2
2


Р(х) = 1/(S·√2π)· e – (
x
-
x
ср) /2
S


Для точки А величина σ может быть найдена из равенства:

2 2 2 2


1/Sд
·e-(
σ
А-
σ
ср) / 2
S
д
= 1/Sв
·e-(
σ
А-
σ
вср) / 2
S
в


или Zд
2
– Zв
2
= -2 ln(Sд
/Sв
),


где Zд
= (σА
-σср
)/ Sд
; Zв
= (σА
-σвср
)/ Sв
.


Величины Zд
и Zв
называются нормированными отклонениями.


Последнее уравнение решается относительно σА
. Затем определяется Рраз
, представляющее условную величину. Эта величина должна сопоставляться с известными предельными значениями, которые устанавливаются экспериментально на основе опыта эксплуатации подобных конструкций.


Через Рраз
можно найти коэффициент надежности Н:


Н = lg (1/Pраз
)


Рраз
= 1 – Рнер
; Рнер
= 1 – Рраз


При вероятности неразрушения Рнер,
равной 0,9; 0,99; 0,999; 0,9999, соответственно Н равно 1; 2; 3; 4.


3. Статистическая оценка прочности пластмасс по нагрузкам


Тимофеев Е.И. показал, что из-за недостаточной однородности и стабильности механических свойств пластмасс расчет по средним значениям нагрузок следует вести с учетом вероятности снижения прочности вследствие релаксации и неоднородности.


Изделие считается про

чным, если действующая нагрузка Q меньше разрушающей R:


R– Q > 0

Вероятность такого события определяет надежность изделия:


α = Вер [(R – Q) > 0]


Обозначим разность нагрузок через Х:


Х= R – Q


Тогда, с учетом того, что Х подчиняется нормальному закону распределения с плотностью Р(Х), среднее значение Х равно:


Х0
= R0
– Q0


Стандартное отклонение:


Sx
= √ SR
2
+ SQ
2


Надежность:


2 2


α = Вер (Х > 0) = P(X)·dX = 1/(S·√2π)·∫e-1/2·((
x
-
x
ср) /
S
x)
·dx


С учетом нормированной функции Лапласа:


α = Ф(У),


где У = X0
/ Sx
(У берется из таблиц в зависимости от заданной вероятности).


После подстановки уравнений и деления числителя и знаменателя на Q0
получим:


У = (R0
/Q0
– 1) / √SR
2
/ Q0
2
+ SQ
2
/ Q0
2


Введем обозначения:


n0
= R0
/ Q0
– средний наиболее вероятный запас прочности;


νR
= SR
/ R0
; νQ
= SQ
/ Q0
– коэффициенты вариации разрушающей и действующей нагрузок.


Тогда:

У = (n0
–1)/√ n0
2
·νR
2
+ νQ
2


Для трубы при r >> h, где r – радиус, а h– толщина стенки, принимают:


νR
=
√ νв
2
+ νh
2


Пользуясь специальными таблицами для Ф(У), после вычисления функции У можно определить запас прочности по средним значениям нагрузок или надежность по выбранному среднему коэффициенту запаса прочности. Определение функции У позволяет также исследовать влияние на надежность величины статистического разброса разрушающих и действующих нагрузок.


Статистические методы позволяют дать оценку влияния на надежность пластмассовых изделий температур, агрессивных сред, усталости, климатических факторов и т.д.


Например, по экспериментальным данным нагрев до 60 0
С приводит к снижению предела прочности при растяжении для стеклотекстолита КАСТ-В на 10%, пресс-материала АГ-4С – на 35 – 40%, пресс-материала АГ-4В – на 20%.


Если труба изготовлена из АГ-4С, и σв
= 9,75 МПа; σд
= 5,1 МПа; νR
= 0,095; νд
= 0,3, то:


n0
= 9,75 / 5,1 = 1,91


У = (1,91 – 1) / √ 1,912
·0,0952
+ 0,32
= 2,5


По таблице для У = 2,5 находим α = 0,9938 или 99,38%.


При нагреве до 60 0
С:


n0
= 0,6·9,75 / 5,1 = 1,147


У = (1,147 – 1) / √ 1,1472
·0,0952
+ 0,32
= 0,445


По таблице для У = 0,445 находим α = 0,672 или 67,2%.


Количественная оценка надежности показывает, что такое изделие эксплуатировать нельзя.


Повышения надежности можно достичь за счет улучшения прочности материала или усовершенствования технологии изготовления изделий, приводящих к понижению коэффициента вариации νв
.


Из уравнения для У можно определить запас прочности:


n0
= (1 + У·√νR
2
+ νQ
2
– У2
·νR
2
·νQ
2
) / (1 – У2
·νR
2
)


4. Оценка эксплуатационных свойств пластмасс по критерию эффективной удельной прочности


Примем за условный вес конструкции изделия вес, приходящийся на единицу длины l и единицу действующей нагрузки Q.


q´усл
= q / (l·Q),


а за единицу прочности примем величину:



= l·R / q,


где R – разрушающая нагрузка.


Из этих уравнений выводим:


q´усл
= n / kв


Условный наиболее вероятный коэффициент запаса прочности с учетом вариации поперечного сечения изделия равен:


n0
= [1 + У·√νв
2
+ νF
2
+ νQ
2
– У2
·νQ
2
·(νв
2
+ νF
2
)] / [(1 – У2
·(νв
2
+ νF
2
)]


Тогда можно записать, что средняя наиболее вероятная прочность материала равна:


k0
σ
= σв0
/ γ,


где γ – удельный вес материала.


Пусть q0усл
´= n0
/ k0
σ
.


После подстановок получим:


q0
´усл
= 1 / k0
σ
·[(1-У2
·(νв
2
+νF
2
)] / [1+У·√νв
2
+νF
2
+νQ
2
–У2
·νQ
2
·(νв
2
+νF
2
)]


Знаменатель этой формулы называют критерием эффективной удельной прочности материалов:





k´0
σ
= k0
σ
· [(1-У2
·(νв
2
+νF
2
)] / [1+У·√νв
2
+νF
2
+νQ
2
–У2
·νQ
2
·(νв
2
+νF
2
)]


Из уравнения видно, что k´0
σ
учитывает неоднородность материала (νв
), вариацию действующих напряжений (νQ
), рассеивание размеров (νF
) и заданную надежность α = Ф(У).


Упростив уравнение и приняв, что νQ
= νF
= 0, получим:


k´0
σ
= k0
σ
·(1 – У· νв
)


Оценка конструкционных свойств пластмасс по критерию эффективной удельной прочности показывает, что пластмассы резко отличаются по степени однородности. Из реактопластов наиболее неоднородны АГ-4С, АГ-4В, из термопластов – полиамиды 6 и 66. Если же перерабатывать пластмассы при оптимальных строго регулируемых режимах, то k´0
σ
имеет примерно равные значения при любых степенях надежности (У = 2, 3, 4). Это свидетельствует о том, что качество изделий при этих условиях, их прочностные свойства и однородность изделий значительно улучшаются.


Заключение


В процессе написания реферата мы ознакомились со статистическими методами оценки прочности пластмасс; оценкой прочности пластмасс с помощью вероятности разрушения по Серенсену; статистической оценкой прочности пластмасс по нагрузкам и оценкой эксплуатационных свойств пластмасс по критерию эффективной удельной прочности.


Литература


1.Альшиц И.Я. и др. Проектирование изделий их пластмасс. – М.: Машиностроение, 1979. – 248 с.


2.Зенкин А.с. и др. Допуски и посадки в машиностроении. К.: Техніка, 1990. –320 с.


3.Штейнберг Б.И. и др. Справочник молодого инженера-конструктора. – К.: Техніка, 1979. – 150 с.


4.Лепетов В.А., Юрцев Л.И. Расчет и конструирование резиновых изделий. М.: Химия, 1987. – 408 с.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Статистические методы оценки прочности пластмасс

Слов:1710
Символов:14820
Размер:28.95 Кб.