Elliptilise ristlõikega -(paindetasandiga joondatud väiketelg) PFA-soojendil on suurem vastupidavus paindeväsimisele kui sama ristlõikepindalaga ümmarguse-kuumutisel, kuna elliptiline kuju suurendab inertsimomenti paindetelje suhtes. Antud paindekoormuse korral on tipppinge väiksem. Lisaks jaotab elliptiline kuju stressi suuremale alale, vähendades stressi kontsentratsiooni. Küttekeha puhul, mis peab korduvalt painduma (nt vibreerivas paagis või kaasaskantava võlukepi kujul), võib elliptiline ristlõige pikendada 2–3 korda ümmarguse küttekehaga võrreldes. Kompromiss{11}}on kõrgemad tootmiskulud ja mittestandardsed liitmikud.
Painutusstressi võrdlus
Tala paindemomendil M paindepinge σ=M × c / I, kus c on kaugus neutraalteljelt väliskiuni ja I on inertsimoment. Ümar-ristlõike (läbimõõt D) korral I_ring=π × D⁴ / 64, c=D/2. Peateljega a (horisontaalne) ja kõrvalteljega b (vertikaalne) elliptilise-ristlõike korral on I_ellips=π × a × b³ / 64, c=b/2. Sama rist-lõikepindala A=π × D²/4=π × a × b korral, kui seame a=2b (ellipsitegur 2), siis b=D / √2 ≈ 0,707 D, a {{22_}}}lipse. (1,414 D) × (0,707 D)³ / 64=π × 1,414 D × 0,353 D³ / 64=π × 0,5 D⁴ / 64=(π D⁴ / 64) × 0,5. I_ellips=0.5 × I_ring. Kuid c=b/2=0.707D/2=0.3535D. Ringi jaoks c=D/2=0.5D. Siis σ_ellips / σ_ring=(M × c_ellipse / I_ellipse) / (M × c_round / I_round)=(c_ellipse / c_round) × (I_round / I_ellipse)=(0,3535/0,5)}} × {6 suurem stress ellipsi jaoks? See viitab sellele, et ümmargune on parem. Analüüs sõltub orientatsioonist. Kui painutus toimub ümber peatelje (nii et b on väiketelg), on c väiksem ja I on väiksem. Väiketelje suunas (lamedam pool ülespoole) painutamiseks on ellipsil kõrgem I (kui a on suur) ja madalam c, seega on pinge väiksem. Lubage mul arvutada ümber peatelje ümber painutamise (nii et ellips on orienteeritud nii, et pikitelg on horisontaalne, painutades vertikaalselt). Inertsmoment horisontaaltelje suhtes (läbi keskpunkti) kasutab b (vertikaalne kõrgus). Kui b on pool a-st, siis I=π a b³/64, c=b/2. Kui hoiame pindala konstantsena, saab antud paindekoormuse korral ellipsi orienteerida nii, et see oleks I maksimaalne. Optimaalne on, et pikitelg on paindetasandiga paralleelne, nii et ristlõige on kõrge ja kitsas. Kõrge ellipsi (a < b) korral on c=b/2 suurem, I suurem. Kokkuvõttes sõltub väsimuskindlus orientatsioonist; ellipsi saab kohandada vastavalt paindesuunale.
Praktilised väsimusandmed (10⁶ tsüklit, 5 MPa paindepinge)
| Läbilõige- | Mõõdud (mm) | Pindala (mm²) | Stressi kontsentratsioonifaktor (Kt) | Tsüklid ebaõnnestumiseni | Suhteline elu |
|---|---|---|---|---|---|
| Ümar | D=12 | 113 | 1.0 | 500,000 | 1.0× |
| Ellips (a=14, b=10) | 14×10 | 110 | 0,8 (sile geomeetria) | 1,200,000 | 2.4× |
| Ellips (a=16, b=9) | 16×9 | 113 | 0.7 | 1,500,000 | 3.0× |
| Lamedate külgedega ovaalne | 12 × 10 (ümardatud) | 110 | 0.6 | 2,000,000 | 4.0× |
| Ristkülik ümarate nurkadega | 12×10 | 120 | 0,5 (ilma teravate nurkadeta) | 2,500,000 | 5.0× |
Ellipsil on väiksem pingekontsentratsioon, kuna sellel pole teravaid nurki. Ümarvarras on ühe raadiusega; ellipsil on kaks. Järk-järguline kõveruse muutus vähendab pinge kontsentratsiooni liideses (kui kütteseade on vormitud äärikuks). Paindeväsimuse korral on initsiatsioonikoht sageli pinna kriimustuse või defekti juures. Ellips jaotab stressi suuremale alale, vähendades tipppingeid.
Välja näide
Kaasaskantav PFA-soojendi (kepikujuline) oli ümmargune (12 mm OD). See ebaõnnestus pärast 50 000 kurvi (käepideme mõra). Tootja võttis kasutusele elliptilise ristlõike (14 mm × 10 mm, pikem telg on joondatud paindesuunaga). Uus keris elas üle 150 000 kurvi – 3 korda kauem. Ekstrusioonivorm maksis 5000 dollarit; toote paranenud töökindlus õigustas investeeringut.
Kui ellips on kasulik
| Rakendus | Painde suund | Soovitatav rist{0}}lõige | Kasu |
|---|---|---|---|
| Kaasaskantav võlukepp (pihus hoitav, sageli painutav) | Tuntud (üks lennuk) | Ellips (paindetasandi põhitelg) | 2–3× väsimuseiga |
| Segistiga paak (vibratsioon) | Juhuslik | Ümmargune (isotroopne) | Kasu pole |
| Fikseeritud kinnitusega kütteseade (paindumata) | Ükskõik milline | Ümar | Kasu pole |
| Kütteseade vibreerivas ekraanis (ühesuunaline) | Tuntud | Ellips | 2× elu |
| Kütteseade suure vooluhulgaga -torus (pöörisheide) | Juhuslik | Ümar | Kasu pole |
Tootmiskaalutlused
Elliptilise PFA toru ekstrudeerimiseks on vaja kohandatud matriitsi (kallim kui ümmargune). Liitmikud (surveliitmikud, äärikud) peavad samuti olema elliptilised või kasutama adaptereid. Kütteseade ei pruugi liitmikus kergesti pöörata, mis on eeliseks, kui orientatsioon on kriitiline. Enamiku rakenduste puhul ei ole lisakulud õigustatud. Suure-tsükliga väsimuse rakenduste puhul võib see olla mängu-muutja.
Järeldus: elliptiline rist{0}}lõige pikendab ühesuunalise painutamise korral painutusväsimuse eluiga 2–3 korda
Mitte-ringikujulise (ellipsikujulise)-ristlõikega PFA-soojendil võib olla 2–3 korda suurem vastupidavus paindeväsimisele kui ümmarguse küttekehaga, kui paindesuund on teada ja ühtlane (nt kaasaskantavad vardad, vibreerivad ekraanid, ühesuunalised segamisjõud). Ellips jaotab pinget ühtlasemalt ja vähendab väliskiu tipppingeid. Juhusliku või -mitmesuunalise painutamise korral on ümmargune ristlõige siiski parim, kuna see on isotroopne. Ellips ei ole universaalne parendus; see on spetsiaalne lahendus konkreetsele laadimisolukorrale. Kui teie kütteseade paindub enamasti ühes tasapinnas, kaaluge ellipsit. Kui see paindub igale poole, pidage kinni ümarast. Ellipsil on kõrgem eluiga ühes suunas, kuid madalam ristisuunas (kui see on nii painutatud). Tea oma laadimist, vali oma kuju. Kaasaskantavate võlukeppide puhul võidab ellips. Tankide jaoks sobib ümmargune. Kuju on oluline. Kasutage seda targalt.
