Циклическое напряжение — это распределение сил (иначе говоря, напряжений), которые изменяются с течением времени повторяющимся образом. В качестве примера рассмотрим одно из больших колес, используемых для привода подъемника, например, горнолыжного. Трос, обернутый вокруг колеса, оказывает направленную вниз силу на колесо и приводной вал, поддерживающий колесо. Хотя вал, колесо и трос движутся, сила остается почти вертикальной относительно земли. Таким образом, точка на поверхности приводного вала будет подвергаться растяжению, когда она направлена к земле, и сжатию, когда она направлена к небу.
Виды циклического стресса
Циклическое напряжение часто встречается во вращающихся машинах, где изгибающий момент прикладывается к вращающейся части. Это называется циклическим изгибающим напряжением, и приведенный выше воздушный подъемник является хорошим примером. Однако существуют также циклические осевые напряжения и циклические крутильные напряжения. Примером циклического осевого напряжения может служить резиновый трос (см. банджи-джампинг), который должен поддерживать массу людей, прыгающих с таких конструкций, как мосты. Когда человек достигает конца троса, трос упруго прогибается и останавливает спуск человека. Это создает большое осевое напряжение в тросе. Часть упругой потенциальной энергии, хранящейся в тросе, обычно передается обратно человеку, подбрасывая его вверх на некоторую часть расстояния, на которое он упал. Затем человек снова падает на трос, вызывая напряжение в тросе. Это происходит несколько раз за прыжок. Один и тот же трос используется для нескольких прыжков, создавая циклические напряжения в тросе, которые в конечном итоге могут привести к поломке, если его не заменить.
Циклическое напряжение и разрушение материала
Когда к материалу прикладываются циклические напряжения, даже если напряжения не вызывают пластическую деформацию, материал может выйти из строя из-за усталости. Усталостное разрушение обычно моделируется путем разложения циклических напряжений на средние и переменные компоненты. Среднее напряжение — это среднее по времени значение главного напряжения. Определение переменного напряжения различается в разных источниках. Оно определяется либо как разница между минимальным и максимальным напряжением, либо как разница между средним и максимальным напряжением. Инженеры пытаются проектировать механизмы, детали которых подвергаются одному типу (изгибу, осевому или крутильному) циклического напряжения, поскольку это более точно соответствует экспериментам, используемым для характеристики усталостного разрушения в различных материалах.
